JP4825383B2 - Method for cloning and producing MseI restriction endonuclease - Google Patents

Method for cloning and producing MseI restriction endonuclease Download PDF

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、1つの実施態様において、発現が細胞の生理的状態の変化を補正するように、従ってあらゆる増殖段階において同族の制限エンドヌクレアーゼによる切断に対して好ましくは完全な保護を与えるように、保護的修飾メチルトランスフェラーゼ活性の均衡の取れたレベルを産出するために先ず方法を実施すること;次いで制限エンドヌクレアーゼを導入すること及びその発現を提供することを含む、目的の制限修飾システムをクローニングし、発現する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
制限エンドヌクレアーゼは、1本鎖又は2本鎖DNAを分解するか又は切断するヌクレアーゼと呼ばれる酵素の部類に属する。制限エンドヌクレアーゼは、DNA分子に沿って特定のヌクレオチドの配列(「認識配列」)を認識し、結合することによって作用する。いったん結合すると、エンドヌクレアーゼは認識配列の範囲内で又は一方で分子を切断する。いかなる任意のエンドヌクレアーゼについても位置は固定しているが、切断の位置は種々の制限エンドヌクレアーゼの間で異なってもよい。様々な制限エンドヌクレアーゼが認識配列に対して様々な親和性を有する。今日までに調べられた幾千もの細菌種及び古細菌種の中で、200を超える、独特の特異性を認識する制限エンドヌクレアーゼが同定されている。
【0003】
制限エンドヌクレアーゼは、その組成並びに補因子の必要性、標的配列の性質、及び標的配列に関するDNA切断部位の位置に基づいて分類される(Yuan, R., Ann. Rev. Biochem., 50:285-315, 1981)。現在のところ、性状のよく判っている3種の制限エンドヌクレアーゼが知られている(I、II及びIII)。I型酵素は特異的な配列を認識するが、その配列に関して無作為に切断する。III型制限エンドヌクレアーゼは、特異的な配列を認識し、その配列の一方に対して定められた位置で切断するが、決して完全には消化しない。この2種の酵素はどちらとも実用的な用途には好適ではない。II型制限エンドヌクレアーゼは、特異的な配列(4〜8個の長さのヌクレオチド)を認識し、その配列の範囲内の位置か又はそれに極めて近い定められた位置で切断する。通常、それらは、その作用にMg2+イオンのみを必要とする。II型制限エンドヌクレアーゼがその他の細菌成分から精製された場合、実験室でDNA分子を特異的な断片に切断するのにそれらを用いることができる。この特性によって研究者はDNA分子を操作することができ、生じた構造を解析することができる。
【0004】
細菌は、単離によってせいぜいほんのわずかな制限エンドヌクレアーゼを処理する傾向があるにすぎない。制限エンドヌクレアーゼは、それらが生じる生物の名称に由来する3文字の頭字語によって命名される(Smith and Nathans, J. Mol. Biol., 81:419-423, 1973)。最初の文字は属に由来し、2番目と3番目の文字は種に由来する。従って、例えば、Deinococcus radiophilus種の株は、DraI、DraII及びDraIIIと命名された3種の異なるII型制限エンドヌクレアーゼを合成する。このような酵素はそれぞれ、配列、TTTAAA、PuGGNCCPy及びCACNNNGTGを認識して切断する。一方、Escherichia coliのRY13株は、たった1つのII型制限酵素であるEcoRIを合成し、それは、配列GAATTCを認識する(Roberts R. J., and Macelis D., Nucl. Acids Res., 28:306-7, 2000)。
【0005】
細菌及び古細菌の制限システムの第2の成分は、修飾メチラーゼである(Roberts and Halford, in 'Nucleases' 2nd ed., Linn et al., ed.'s, p.35-88, 1993)。このような酵素は制限エンドヌクレアーゼに相補的であり、細菌がそれ自体のDNAを保護し、外来の、侵入DNAから区別することができる手段を提供する。修飾メチラーゼは、相当する制限エンドヌクレアーゼと同じ認識配列を認識し、結合するが、DNAを切断する代わりに、メチル基を付加することにより配列の範囲内の1つか又はその他のヌクレオチドを化学的に修飾する。メチル化後、認識配列はもはや制限エンドヌクレアーゼによって切断されることはない。修飾メチラーゼの活性の効力によって細菌細胞のDNAは修飾され、従って、内因性の制限エンドヌクレアーゼの存在に感受性がない。制限エンドヌルレアーゼの認識と切断に感受性があるのは修飾されていない、従って識別することが可能な外来DNAだけである。
【0006】
自然状態では、II型制限エンドヌクレアーゼは、ウイルス及びプラスミドDNAのような外来DNAを、そのDNAが適当な修飾酵素によって修飾されていない場合、切断すると考えられている(Wilson and Murray, Annu. Rev. Genet. , 25:585-627, 1991)。このようにして細胞は外来DNAによる侵略から保護されている。従って、II型制限修飾システムの進化は、外来DNAによる感染からそれ自体を保護する細胞の必要性によって進んできたと広く考えられている(細胞性防御仮説)。
【0007】
遺伝子操作技術の出現によって、今や遺伝子をクローン化し、それらがコードしているタンパク質や酵素を、従来の精製技術で入手可能なものよりも大量に製造することが可能である。制限エンドヌクレアーゼ遺伝子のクローンを単離する鍵は、遺伝子ライブラリの中でそのようなクローンを同定する簡単で信頼できる方法を開発することである。可能性のある困難さの1つは、プロモータ若しくはリボソームの結合部位の差異又は遺伝子のコドン組成の差異のように、起源となる生物の転写及び翻訳装置が大腸菌とは異なっているために制限エンドヌクレアーゼ遺伝子及びメチラーゼ遺伝子の中には、大腸菌で発現されない可能性があるものがあることである。メチラーゼ遺伝子の単離には、メチラーゼが十分に大腸菌で発現し、遺伝子を運んでいるプラスミドの少なくとも一部を完全に保護することが必要とされる。活性型でのエンドヌクレアーゼの単離には、メチラーゼが十分に発現して宿主DNAを完全に保護するか又はエンドヌクレアーゼによる切断に由来する致命的な損傷を妨げることが必要とされる。制限エンドヌクレアーゼをクローニングするもう1つの障害は、大腸菌株の一部がシトシン又はアデニンの修飾に有害に反応する;メチル化シトシン(Raleigh and Wilson, Proc. Natl. Acad. Sci., USA83:9070-9074, 1986)又はメチル化アデニン(Heitman and Model, J. Bact., 196:3243-3250; Raleigh et al., Genetics, 122:279-296, 1989; Waite-Rees, et al., J. Bacteriology, 173:5207-5219, 1991)を含有するDNAを破壊するシステムを生じるという発見である。シトシン特異的又はアデニン特異的メチラーゼ遺伝子は、それら自体又はそれらに相当するエンドヌクレアーゼ遺伝子と共にいずれにおいてもこのような株で容易にクローニングすることはできない。この問題を回避するためには、このようなシステムが欠損している大腸菌の変異株(McrA及びMcrB又はMrr)を使うことが必要である。
【0008】
制限遺伝子を大腸菌にクローニングするために、以下のようないくつかのアプローチが用いられてきた。
(1)ファージの制限に基づいた選定
最初にクローニングされたシステムでは、制限エンドヌクレアーゼのクローンを同定し、選定する手段としてバクテリオファージ感染が用いられた(EcoRII:Kosykh et al., Molec. Gen. Genet., 178:717-719, 1980; HhaII:Mann et al., Gene 3:97-112, 1978; PstI:Walder et al., Proc. Nat. Acad. Sci., USA 78:1503-1507, 1981)。細菌における制限−修飾システムの存在によって細菌はバクテリオファージの感染に抵抗することができるので、クローン化された制限−修飾遺伝子を運んでいる細胞は原則として、ファージにさらされたライブラリから生き残りとして選択的に単離される。しかしながら、この方法は限定された利点しか有さないことが判明した。具体的には、クローン化された制限−修飾遺伝子は、通常の条件下で選択的生き残りを提供する十分なファージ抵抗性を常に示すとは限らないことが判ったのである。
【0009】
(2)ベクターの修飾に基づいた選定
数の上で増えているシステムをクローニングするのに用いられる第2のアプローチには、活性のあるメチラーゼ遺伝子の選定が関与する(米国特許第5,200,333号及びBsuRI:Kiss et al., Nucl. Acid Res., 13:6403-6421, 1985を参照のこと)。制限遺伝子と修飾遺伝子は密接に連関していることが多いので、両遺伝子を同時にクローニングすることができることも多い。この選定では常に完全な制限システムが得られるとは限らないが、その代わり、メチルトランスフェラーゼ遺伝子だけを得る可能性がある(BspRI:Szomolanyi et al., Gene 10:219-225, 1980; BcnI:Janulaitis et al., Gene 20:197-204, 1982; BsuRI:Kiss and Baldauf, Gene 21:111-119, 1983;及びMspI:Walder et al., J. Biol. Chem., 258:1235-1241, 1983)。
【0010】
(3)天然プラスミドのサブクローニング
もう1つのクローニング法には、当初、プラスミド由来の大腸菌にクローニングするプラスミドとして特徴付けされた転移システムである(EcoRVI:Bougueleret et al., Nucl. Acid Res., 12:3659-3676, 1984; PaeR7I:Gingeras and Brooks, Proc. Natl. Acad. Sci., USA 80:402-406, 1983; Theriault and Roy, Gene 19:355-359, 1982; PvuII:Blumenthal et al., J. Bacteriol., 164:501-509, 1985)。
【0011】
(4)複数工程のクローニング
直接的なメチラーゼ選定法は、種々の障害のためにメチラーゼ(及び/又はエンドヌクレアーゼ)クローンを得ることができないことがある。例えば、LunnenらのGene74(1)巻(1988年)の25〜32ページを参照のこと。制限−修飾遺伝子をクローニングするのに障害となる可能性の1つは、修飾により予め保護されていない宿主にエンドヌクレアーゼ遺伝子を導入しようとすることである。メチラーゼ遺伝子及びエンドヌクレアーゼ遺伝子を単一のクローンとして共に導入する場合、エンドヌクレアーゼが切断する機会を有する前にメチラーゼは宿主DNAを保護的に修飾しなければならない。従って、時には、遺伝子を順に、先ずメチラーゼを次いでエンドヌクレアーゼをクローニングすることが可能なこともある(米国特許第5,320,957号を参照のこと)。
【0012】
(5)DNAの損傷で誘導可能なSOS反応の誘導に基づいた選定
メチラーゼ遺伝子及びエンドヌクレアーゼ遺伝子をクローニングするもう1つの方法は、DNA損傷に関する比色アッセイに基づく(米国特許第5,492,823号を参照のこと)。メチラーゼに関してスクリーニングする場合、AP1−200のような感受性宿主の大腸菌株をプラスミドライブラリで形質転換する。メチラーゼの発現によって、McrA、McrBC、又はMrrである大腸菌株でSOS反応が誘導される。AP1−200株は、Mcr及びMrrシステムに対して温度感受性であり、大腸菌の損傷で誘導可能なdinD遺伝子座に融合したlacZを含む。メチラーゼ又はエンドヌクレアーゼをコードする組換えプラスミドの検出は、限定的な温度でのlacZの誘導に基づく。メチラーゼ遺伝子をコードする形質転換体は、X−galを含有するLB寒天プレート上で青いコロニーとして検出される(Piekarowicz et al., Nucleic Acids Res., 19:1831-1835, 1991;及びPiekarowicz et al., J. Bacteriology 173:150-155, 1991 )。同様に、大腸菌株、ER1992はdinD1−lacZ融合物を含有するが、メチル化依存性の制限システム、McrA、McrBC及びMrrを欠いている。このシステム(「エンド−ブルー(endo−blue)」法と呼ばれる)では、SOS反応を含めて、エンドヌクレアーゼが宿主細胞のDNAを損傷する場合、同族のメチラーゼの非存在下でエンドヌクレアーゼ遺伝子を検出することができる。X−galを補ったLB寒天プレート上で、SOS誘導された細胞は、深青色のコロニーを形成する(Fomenkov et al., Nucleic Acids Res., 22:2399-2403, 1994、及び米国特許第5,498,535号)。
【0013】
(6)N末端配列に基づいた同義性インバースPCR
修飾メチルトランスフェラーゼ遺伝子を同定することができない(米国特許第5,945,288号を参照のこと)、又はメチラーゼ遺伝子を同定することはできるが、制限エンドヌクレアーゼを特定するオープンリーディングフレームがはっきりしないということが起き得る。これらの場合、起源となった生物から十分な量及び純度で制限エンドヌクレアーゼを精製することができるときは、エンドヌクレアーゼ遺伝子を同定するための追加的な方法を特に適用することができる。この方法では、エンドヌクレアーゼを実質的な均一性まで精製して、ポリペプチドの配列決定を行う。得られたポリペプチド配列をDNA配列に逆翻訳し、起源となった生物のゲノムDNAから又はそれから作成した遺伝子ライブラリからエンドヌクレアーゼ遺伝子の一部を増幅するために同義性PCRプライマーを設計することができる。サザンブロット分析又は更なる直接若しくはインバースPCR法によって完全な遺伝子のDNA配列を得ることができる。同族のメチルトランスフェラーゼが得られない場合か又はそれを発現することができない場合、制限エンドヌクレアーゼのクローン単独の安定性及び利便性は、通常、ひどく危うくなる。
【0014】
上記の方法によって、特定のシステムのメチルトランスフェラーゼ及び制限エンドヌクレアーゼを得ることができてもよいが、それでもやはり、酵素製造のために使用可能な株の確立は問題である。困難さは好適なレベルでのメチルトランスフェラーゼの発現と共にあることが多い。このことは方法(6)と共に特に真実である。本来の宿主におけるエンドヌクレアーゼとは関係がなかったが、同じか又は関連した配列を認識し、エンドヌクレアーゼが認識配列を切断するのを妨げる、ヘテロ特異的なメチルトランスフェラーゼを用いて、かかるクローンを安定化することができることもある(米国特許第6,048,731号を参照のこと)。
【0015】
利用できる好適なヘテロ特異的メチルトランスフェラーゼがない、及び同族のメチルトランスフェラーゼにより宿主に与えられる保護の程度が不適当であるこいうことが生じる可能性がある;又は明らかに適当なレベルのメチルトランスフェラーゼを得ることができるが、かかるレベルは細胞に対して毒性があり、結果として保存することができない株を生じるということが起きる可能性がある;又は保護が明らかに適当であり、保護された細胞は生存可能であるが、メチルトランスフェラーゼとエンドヌクレアーゼ遺伝子の組合せによって検出可能なエンドヌクレアーゼを発現しない株を生じることが起きる可能性がある;又は保護が明白に適当であり、メチルトランスフェラーゼとエンドヌクレアーゼ遺伝子の組合せによって検出可能なエンドヌクレアーゼを発現する株を生じるが、商業的に有用なレベルの酵素を製造するには十分に好適ではないことが起きる可能性がある。
【0016】
制限エンドヌクレアーゼによる切断から宿主細胞を効果的に保護するのに必要な酵素の要求レベルを変更する数多くの因子を仮定することができる。かかる因子には、増殖の静止期の間に細胞に存在するよりも大量のDNAコピーが存在する急速な増殖;制限エンドヌクレアーゼの新しい合成が開始する前に修飾メチルトランスフェラーゼの新しい合成が必要とされる可能性がある休止状態からの回復;例えば、S−アデノシルメチオニンのような要求されるDNAメチルトランスフェラーゼ補因子のレベルが変化する可能性がある、種々の飢餓;及びDNA損傷又はその他の生理的障害のような特定の生理状態が挙げられる。さらに、メチルトランスフェラーゼのレベルが高くなりすぎ、例えば、同族部位に関係する無関係な部位に結合するか又はそれをメチル化することによって毒性となり、従って、調節タンパク質又はDNA凝縮タンパク質によるDNA配列の読み取りを妨害する可能性がある。従って、無制限に永続化するためには、メチルトランスフェラーゼの発現の絶対的なレベルを培養の期間にわたる条件に応じて変動させる必要がある可能性がある。
【0017】
制御の微細レベルに対するこの必要性は、修飾メチルトランスフェラーゼに独特なのではない。50年の研究のうちに、例えば、栄養を分解する、又は必須成分を合成する(trp、his)、又は有害因子に反応する(DNA損傷反応、熱ショック反応)異化及び同化遺伝子のセット(lac、ara、gal)のような種々の機能について多数の詳細な調節図式が記載されてきた。このような調節性の効果には、例えば、プロモータ活性(アクチベータ又はリプレッサによる)、転写安定性(レトロ調節要素による)における変化が、翻訳レベル(弱化又は翻訳連結)の変化が介在する。この高いレベルの理解にもかかわらず、機能に対する要求が生理的変化と共にいかに変化するのか及び機能の所望のレベルをいかにして達成するのかを前もって予測することは簡単ではない。
【0018】
精製された制限エンドヌクレアーゼ、及び、程度は少ないが修飾メチラーゼは、実験室で遺伝子を特徴付けるのに有用なツールなので、組換えDNA技術を介して、このような酵素を大量に合成する細菌株を入手しようとする商業的な動機がある。かかる株は、商業的に有用な量で製造する手段を提供することはもとより、精製の作業を簡略化するので有用である。
【0019】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、1つの実施態様において、発現が細胞の生理的状態の変化を補正するように、従ってあらゆる増殖段階において同族の制限エンドヌクレアーゼによる切断に対して好ましくは完全な保護を与えるように、保護的修飾メチルトランスフェラーゼ活性の均衡の取れたレベルを産出するために先ず方法を実施すること;次いで制限エンドヌクレアーゼを導入すること及びその発現を提供することを含む、目的の制限修飾システムをクローニングし、発現する方法に関する。
【0020】
本発明はさらに、静止期、対数増殖期、保存からの再生期又はその他の増殖期から選択してもよい決定的な増殖期の間に保護の程度を具体的に調べること、及び次いでそのような決定的な増殖期における機能について選択することにより好適な発現ベクターを同定することを含む、保護的修飾メチルトランスフェラーゼ活性の均衡の取れたレベルを産出するための方法に関する。
【0021】
上記方法は、MseI制限修飾システムのクローニングと発現によって例示され、システムはDNA(デオキシリボ核酸)断片にコードされており、断片は、2つの関連する酵素、すなわち、DNA配列5’−TTAA−3’を認識し、この認識配列のT残基間のリン酸二エステル結合を切断して2塩基の5’伸長を産出する酵素(Morgan R. D., Nucl. Acids Res., 16:3104, 1988)(以後、MseI制限エンドヌクレアーゼと呼ぶ)、及び同じDNA配列、5’−TTAA−3’を認識するが、メチル基を付加することによって修飾し、MseIエンドヌクレアーゼによる切断を妨げる、M.MseIとして知られる第2の酵素をコードする。さらに発明は、それぞれM.MseIとは配列で異なり、M.MseIと同じ機能を実行する、すなわち、メチル基を付加することにより配列5’−TTAA−3’を修飾してMseIエンドヌクレアーゼによる切断を妨げる酵素をコードする、2つの追加的なDNA断片に関する。本発明はまた、DNA断片、DNA断片を含有するベクター、このDNA断片を含有する形質転換された宿主の調製方法、及びかかる形質転換宿主からのMseI制限エンドヌクレアーゼの改良製造方法にも関する。
【0022】
【課題を解決する手段】
本発明に基づいて製造されるMseI制限エンドヌクレアーゼは、実質的に純粋であり、従来の技術で作られた制限エンドヌクレアーゼ調製物に一般的に見い出される混入物を含まない。
【0023】
MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子ではなく、MseIメチラーゼ遺伝子は、一般にメチラーゼ選定として引用される技術に従って得られた(米国特許第5,200,333号、その開示を参考として本明細書に組み入れる)。しかしながら、メチラーゼ選定によって得られたクローンはどれも検出可能なMseI制限エンドヌクレアーゼ活性を発現しておらず、且つ、一晩のインキュベートの後、MseI消化から完全には保護されてはいなかった。メチラーゼのクローンを配列決定し、他のN6−アデニンメチラーゼとの相同性に基づいてMseIメチラーゼ遺伝子を同定した。メチラーゼのクローンは検出可能なMseIエンドヌクレアーゼ活性を生じなかったが、エンドヌクレアーゼ遺伝子はメチラーゼ遺伝子に隣接して位置するらしいことが推測された。従って、Micrococcus種から、MseIメチラーゼ遺伝子に隣接するDNAをインバースPCR技術によって増幅し、配列を決定した。
【0024】
MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子の位置を決定し、確実に同定するために、Micrococcus種から得た高度に精製したMseI制限エンドヌクレアーゼタンパク質のN−末端アミノ酸配列を決定した。推定アミノ酸配列がMseIエンドヌクレアーゼのN−末端アミノ酸配列と一致したオープンリーディングフレームが、インバースPCR技術によって得られたDNA配列の中に認められ、メチラーゼ遺伝子の3’側に位置していた。MseIメチラーゼ遺伝子を増幅し、通常の高発現ベクターに適合するベクターでクローニングした。次いで、MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子を増幅し、ベクターのpETシリーズのような発現ベクターに連結して、別の適合ベクターで運ばれたMseIメチラーゼで予め修飾された宿主に導入した;しかしながら、得られたわずかなかかるコンストラクトではMseI活性は見い出されなかった。以下の更なる結果から、MseI発現のこの失敗は、メチラーゼの不適当な発現によるものであり、上手く行ったエンドヌクレアーゼの発現は致死的事象となったと思われる。本発明に従って完全に修飾しているベクターを入手した後、エンドヌクレアーゼ遺伝子の誘導に先だって細胞増殖の間、エンドヌクレアーゼの発現を抑制したベクターの構築によってエンドヌクレアーゼの発現も慎重に調節した。このような特別のコンストラクトでエンドヌクレアーゼ遺伝子とメチラーゼ遺伝子を運ぶ宿主を次いで増殖させ、誘導し、回収して、MseIエンドヌクレアーゼを作製するのに用いた。
【0025】
MseI制限−修飾システムをクローニングし、発現する好ましい方法は、メチラーゼ選定法に従ってメチラーゼ陽性クローンを得ること及びこのようなMseIメチラーゼ陽性クローンのDNA配列を決定することから成る。インバースPCR技術によりメチラーゼ遺伝子に隣接するDNAを入手し、配列を決定する。Micrococcus種からのMseIエンドヌクレアーゼタンパク質をほぼ均質まで精製してN−末端のアミノ酸配列を決定する。DNA配列及びアミノ酸配列のデータに基づいてMseIエンドヌクレアーゼ遺伝子を同定する。MseIメチラーゼの発現を調整して、宿主に対して毒性になるほど多量のメチラーゼを発現することなく、宿主ゲノムの完全な保護を達成する。急速な対数増殖期にある細胞から得られたDNAをMseIエンドヌクレアーゼの切断に対する保護について調べ、このような急速な増殖条件下で完全な保護を提供するコンストラクトを用いて、この完全なメチル化状態をモニターする。次いで、Micrococcus種のゲノムDNAから完全な遺伝子を増幅し、pVR−24(米国マサチューセッツ州、ベバリーのニューイングランド・バイオラボズ社)のような誘導に先立つ細胞増殖の間、MseIエンドヌクレアーゼの発現を制限するように設計された発現ベクターに連結することによりMseIエンドヌクレアーゼを発現する。十分な調節能を提供する適当な遺伝組成を持った(米国特許出願出願番号第09/689,359号)、MseIの切断に対して完全な保護を提供する、別の適合プラスミドで発現されたMseIメチラーゼ遺伝子を運ぶことによってMseI部位を予め修飾した宿主にコンストラクトを導入する。適当な発現条件を含めてMseIエンドヌクレアーゼ遺伝子及びメチラーゼ遺伝子を含有する宿主を増殖させ、細胞を回収し、それからMseIエンドヌクレアーゼを精製することによってMseIエンドヌクレアーゼが製造される。
【0026】
【発明の実施の形態】
1つの実施態様では、本発明は、同族の制限エンドヌクレアーゼが毒性にならずに存在するあらゆる増殖段階で好ましくは宿主DNAの完全な保護が認められるような形態で制限酵素による切断からDNAを保護する修飾メチルトランスフェラーゼ遺伝子を発現するベクター(完全に保護するメチルトランスフェラーゼベクター)を先ず提供し、次いで所望の制限エンドヌクレアーゼ遺伝子を発現するベクターを提供することによって目的の制限エンドヌクレアーゼを製造する方法に関する。 本発明は、修飾メチルトランスフェラーゼが制限酵素による切断に対して保護しなければならないことを除いて、修飾メチルトランスフェラーゼ又は前記制限酵素の特性によって限定されない。
【0027】
好ましい実施態様では、メチルトランスフェラーゼの発現パターンに特に敏感である増殖段階の間に完全な保護を提供するために、メチルトランスフェラーゼの発現を操作することができる調節要素を同定することによって、完全に保護するメチルトランスフェラーゼベクターを入手してもよい。本発明に従って、以下の工程によってこれを実行してもよい:
(1) 公知の方法によってベクターにおけるメチルトランスフェラーゼ遺伝子を入手すること;
(2) 該遺伝子に関して好適な位置にプロモータのような調節要素を入れること;
(3) 所望の宿主細胞における形質転換;
(4) 指数増殖期にある間にプールした形質転換体からベクターを再単離すること;
(5) エンドヌクレアーゼによって消化することによる選定;及び
(6) 生き残っている、消化されていない、従って保護されたベクター集団による新しい宿主の再形質転換。
【0028】
この方法の工程(4)は、指数増殖期から、又はその他の種々の増殖段階から適宜、例えば、静止期から、炭素又は窒素又はその他の必須栄養素の飢餓により活性化された休止期から、又はDNAの損傷状態のような特別な生理的状態の細胞から、又は酸性培地若しくは毒性化合物のような生理的傷害の原因の存在下での細胞から、単離されたプールしたベクターによって実行されてもよいことは当業者に理解されるだろう。
【0029】
好ましい実施態様では、前記工程(2)の調節要素は、以下の工程を含む方法によって同定される。すなわち、
(a)種々の異なった調節要素を含有する断片のプールを所望の位置で、メチルトランスフェラーゼ遺伝子を含有するベクターにクローニングすること;及び
(b)前記工程(3)から(6)までを続行すること。
【0030】
さらに改善されたものを選択するために前記工程(3)から(6)までを含む選定方法を反復してもよいことは当業者にさらに理解されるだろう。
【0031】
前記工程(2a)、同一又は異なった位置で調節要素を含有する断片のプールをクローニングすることを反復し、続いて適宜、選定を反復してもよいことは当業者にさらに理解されるだろう。
【0032】
本発明は、プロモータ、オペレータ、エンハンサ又は下流の調節要素であってもよい調節要素の個性によって限定されない。
【0033】
好ましい実施態様では、前記工程(1)のメチルトランスフェラーゼはメチラーゼ選定法によって単離される(米国特許第5,200,333号)。 本発明は、この方法によって単離されるメチルトランスフェラーゼ遺伝子に限定されず、 上記の方法、例えば、ファージ選定、天然プラスミドのサブクローニング、DNAの損傷によって誘導可能なSOS反応の誘導に基づいた同定、精製タンパク質のアミノ酸配列に基づいたインバースPCR、又は他のメチルトランスフェラーゼの配列に対する類似性から配列データベースにおいて同定し、続いてPCRによるクローニング若しくは方法に基づいたサザンブロットのいずれかによって単離された遺伝子を包含する(Kong, et al., Nucleic Acids Res., 28:3216-3223, 2000)。
【0034】
好ましい実施態様では、前記工程(2a)の異なった調節要素の収集は、変異誘発された断片の調製物に存在する可能性があるような混入する染色体断片と共に、エラー傾向のPCRにより無作為に変異誘発されたS.tyhimuriumのhisプロモータのコピーを含む。本発明は、このようにして得られた断片に限定されず、大腸菌若しくは別の生物のゲノムDNAから単離された断片、又は無作為な位置若しくは特定の位置での同義性配列によるオリゴヌクレオチド合成によってもたらされる断片、又は無作為若しくは特定の断片収集の組換え的PCRによりもたらされる断片の収集を包含する。好ましい実施態様では、このようにして得られる調節要素は、SEQ ID NO:9の配列である。
【0035】
本発明による方法は、該当する制限エンドヌクレアーゼによる切断からの保護を与えるどのメチルトランスフェラーゼに適用されてもよく、単に、どれが特定の天然単離物における前記エンドヌクレアーゼと共に共起するだけではないことが当業者にさらに理解されるだろう。
【0036】
本発明は、さらに、それが含有される生物を先ず培養するのではなく、環境資源のDNAから所望の特異性のメチルトランスフェラーゼを単離することに関する。好ましい実施態様では、このような遺伝子は、米国ネバダ州のディクシー・バレー・ホット・スプリングにて68℃で増殖している原核生物の混合緑色細糸と台座の群生試料から得たDNAからメチラーゼ選定によって単離される。
【0037】
本発明はさらに、誘導の非存在下では極めて低いレベルのタンパク質が発現されるように、厳重な調節でベクターから発現された所望の制限エンドヌクレアーゼ遺伝子の供給に関する(極めて低い基本的な発現が認められる)。好ましい実施態様では、この厳重な調節ベクターは、WO第99/11821号及び米国特許出願出願番号第09/486,356号に記載されているようなクローン化された目的遺伝子を介して読み取る、拮抗的な、且つ独立して調節可能なプロモータを伴うベクターを含むが、この目的のために使用される、予め存在するベクターpLT7Kに存在するよりも低いコピー数を提供することにより基本的な発現はさらに低くされている。好ましい実施態様では、pLT7Kの複製開始点をpACYC184のそれと交換することによってベクターのコピー数を低くする。その他の複製開始点も使用してもよい;例えば、pSC101(Stoker, et al., Gene 18:335-341, 1982)、pSYX20(米国特許第5,262,313号)、F(Shizuya, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89(18):8794-8797. 1992)、又はその他のコピー数の少ないベクター(Harayama, et al., Mol. Gen. Genet., 184:52-55, 1981及びWohlfarth, et al., J. Gen. Microbiol., 134:433-440, 1988)である。好ましい実施態様では、ベクターはpVR−24である。
【0038】
好ましい実施態様では、添付の米国特許出願、出願番号第09/701,626号に記載されるような、目的遺伝子を翻訳することができる方向で負の調節因子の発現を高いレベルで発現する株を採用することによって、基本的な発現レベルをさらに低下させることが達成される。
【0039】
上記の方法は、本発明のもう1つの実施態様、即ち、MseI制限−修飾システムのクローニング及び発現における例示となる。
【0040】
本発明は、また、MseI制限エンドヌクレアーゼを産生する微生物株を含む新規なDNAコンストラクト及び新規な組成物も提供する。本発明において関心が向けられている制限エンドヌクレアーゼ、MseIは、DNA配列5’−TTAA−3’を認識し、この認識配列のT残基間においてリン酸二エステル結合を切断して、2塩基5’伸長を生じる。
【0041】
MseI制限エンドヌクレアーゼを過剰発現させるために、公知のメチラーゼ選定法(米国特許第5,200,333号)を超えて追加の工程が必要とされ、それには、特に、宿主に対して毒性になるほど多量のメチルトランスフェラーゼを産生しないが、in vivoでMseIの消化から宿主のゲノムDNAを完全に保護するために微妙に均衡の取れたMseIメチルトランスフェラーゼの発現が包含される。極めて急激な細胞増殖の間(指数増殖期)でさえMseIエンドヌクレアーゼに対する完全な保護が認められるように発現を最適化したmseIM遺伝子を含有するベクターを先ず用いて、大腸菌宿主を修飾する。次いで、mseIR遺伝子を含有する、例えばpVR−25のような適合するベクターでこの宿主を形質転換し、その後適当な抗生物質プレート上で両ベクターを含有するコロニーを選定する。個々の形質転換体を増殖させ、MseIエンドヌクレアーゼ活性についてアッセイする(以下の実施例5のように)ことによってMseIエンドヌクレアーゼ産生コンストラクトを同定する。
【0042】
MseIメチラーゼ遺伝子及びMseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子を好ましくは大腸菌でクローニングし、発現させる、本明細書に記載された方法は、以下の工程を採用する。
1)MseIによる切断から保護するDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子のクローニング
DNA修飾メチラーゼが相当する制限エンドヌクレアーゼと同じ認識配列を認識し、結合するが、DNAを切断する代わりに、メチル基を付加することによって配列の範囲内で1つの又はその他のヌクレオチドを化学的に修飾することは周知である。このメチル化の後、認識配列はもはや制限エンドヌクレアーゼによって結合されることはなく、切断されることもない。細菌細胞のDNAは常にその修飾メチラーゼによって完全に修飾されており、従って、内因性の制限エンドヌクレアーゼの存在には完全に非感受性である。この状況では、修飾されていない、従って識別可能な外来DNAのみが、制限エンドヌクレアーゼの認識及び攻撃に感受性である。本方法の第1の工程は、MseIによる切断から保護するDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子を同定することである。これを達成するためにMicrococcus種のDNAメチラーゼ(NEB446)をクローニングすることができる。別の方法としては、米国特許第5,179,015号に記載されたように、MseIのR−Mシステム以外のR−Mシステムから、MseI制限酵素による消化を防ぐためにDNAを保護的に修飾することができるDNAメチルトランスフェラーゼを同定することができる。本発明では、MseI制限酵素による消化からDNAを保護することができる3種のメチラーゼDNAを同定した。
【0043】
先ず、全ゲノムDNAをMicrococcus種(小球菌)(NEB#446)から精製した。およそ1〜10キロベース(kb)の長さの断片を作製するために頻回切断エンドヌクレアーゼ、Sau3AIでDNAを部分的に消化することによって、このDNAのランダムライブラリを構築した。予めBamHIで開裂し、脱リン酸化したベクター、pBR322にこのような断片を連結した。連結反応物で化学的に応答能のある(コンピテント)大腸菌ER2502細胞を形質転換した。形質転換体をプールし、プラスミドは1次プラスミドライブラリを形成するために精製された集団だった。この精製されたプラスミドの部分試料をMseIで消化して、in vivoにてMseIメチラーゼ遺伝子を発現していなかった、従って消化からプラスミドDNAを保護していなかったプラスミドをすべて破壊した。消化したプラスミドプールで再び大腸菌ER2502を形質転換して、MseIメチラーゼを発現している、無傷のプラスミドを回収した。個々のクローンを選び、プラスミドDNAを精製して、MseIエンドヌクレアーゼによる切断に暴露した。MseIによって切断されなかったプラスミドがMseIメチルトランスフェラーゼ遺伝子を含有していた。
【0044】
好ましい実施態様では、メチルトランスフェラーゼ遺伝子は、Micrococcus種(NEB#446)から入手可能な制限エンドヌクレアーゼMseIに対して保護するものであり、SEQ ID NO:2、SEQ ID NO:4及びSEQ ID NO:7で特定されるタンパク質をコードすることができる配列のセットの間から選択してもよい。このようなタンパク質は、例えば、SEQ ID NO:1、SEQ ID NO:3及びSEQ ID NO:6で述べられているDNA配列でコードされてもよい。
【0045】
MseIエンドヌクレアーゼによる切断からDNAを保護することができる代替メチルトランスフェラーゼDNAを探すために、1又はそれより多くのMseI制限部位を含有するベクターでMicrococcus種以外のDNA源に由来するクローンのライブラリを構築してもよい。次いで、保護しないクローンを破壊するための1回又はそれより多い回数のMseIによる消化、続いて保護されたクローンを回収するための消化したプラスミドによる形質転換によってこのクローンのライブラリを選定する。かかるライブラリは、米国ネバダ州のディクシー・バレー・ホット・スプリングにて68℃で増殖している原核生物の混合緑色細糸と台座の群生試料から単離されたDNA(『環境からのDNA』と命名された)から作成される。精製した環境からのDNAをNsiIエンドヌクレアーゼで消化し、予めPstI制限エンドヌクレアーゼで切断し、脱リン酸化したベクターpNEB193に連結した。エレクトロポレーションにより連結反応物で大腸菌ER2683を形質転換した。形質転換体をプールし、プラスミド集団を精製して1次プラスミドライブラリを作製した。このような精製プラスミドの部分試料を過剰のMseI制限エンドヌクレアーゼで完全に消化し、ER2683を形質転換するのに用いた。得られた形質転換体のプラスミドをミニプレップし、MseI制限酵素による消化及びそれに続く寒天ゲル電気泳動によって解析した。調べた9種のプラスミドがMseIの消化に抵抗性であることが見い出され、それぞれ、MseIによる切断からDNAを保護するように機能する2種の異なったメチラーゼ遺伝子の1つをコードしていることが判明した。2種のメチラーゼ遺伝子は、esaDix4IM(SEQ ID NO:3及びSEQ IDNO:4)及びesaDix5IM(SEQ ID NO:5及びSEQ ID NO:6)と命名された。このようなクローンから調製された細胞粗抽出物の分析では、エンドヌクレアーゼ活性は示されなかった。宿主自体のDNAを保護するのにこのようなメチルトランスフェラーゼ又はそのようなその他のものを用いてもよく、従ってMseIエンドヌクレアーゼを首尾よく発現させることができる。
【0046】
2) MseI制限−修飾システム全体の配列決定
MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子ではなくMseIメチラーゼ遺伝子は一般に、上記工程1)のように、メチラーゼ選定(米国特許第5,200,333号)と呼ばれる技法に基づいて得られる。しかしながら、メチラーゼ選定によって得られたクローンはいずれも検出可能なMseI制限エンドヌクレアーゼ活性を示さなかった。ABI373DNA配列決定装置によって通常の技法を用いて、1つのメチラーゼクローンを配列決定した。その他のN6−アデニンメチラーゼに対するアミノ酸の相同性に基づいてMseIメチラーゼ遺伝子を同定した。メチラーゼクローンはいかなる検出可能なMseIエンドヌクレアーゼ活性も産生しなかったが、エンドヌクレアーゼ遺伝子はメチラーゼ遺伝子に隣接して位置するらしいことが推測された。従って、Micrococcus種(NEB#446)から得られたMseIメチラーゼ遺伝子に隣接するDNAをインバースPCR技法によって、Micrococcus種のゲノムDNAから増幅して、配列を決定した。
【0047】
MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子の位置を決定し、それを同定するために、Micrococcus種から得た高度に精製したMseI制限エンドヌクレアーゼタンパク質のN−末端のアミノ酸配列を決定した。MseIエンドヌクレアーゼは以下の実施例IIIに述べるようにMicrococcus種(NEB#446)から精製してもよい。インバースPCR技法で得られた、メチラーゼ遺伝子の3’に位置するDNA配列の中に、推定アミノ酸配列が、MseIエンドヌクレアーゼのN−末端アミノ酸配列と一致するオープンリーディングフレームが認められた。
【0048】
別の方法としては、Micrococcus種(NEB#446)に由来するMseIエンドヌクレアーゼ遺伝子の一部をPCRで増幅するための同義性オリゴヌクレオチドのプライマーを設計するのに、MseI制限エンドヌクレアーゼのN−末端アミノ酸配列を用いることができる。次いで、得られたDNA配列を用いて、MseIエンドヌクレアーゼ遺伝子のこの元来の部分のどちら側でもDNAのインバースPCR増幅を導くことができ、上記のようにこのDNA配列においてmseIM遺伝子及びMseI遺伝子を同定することができる。MseI制限−修飾システム全体をクローニングし、配列を決定するために両方の方法を用いた。
【0049】
3) MseIメチルトランスフェラーゼの発現の微妙な最適化
MseIエンドヌクレアーゼ及びMseIメチルトランスフェラーゼに対する完全な遺伝子がいったん同定されると(それぞれ、SEQ ID NO:7、SEQ ID NO:8及びSEQ ID NO:1並びにSEQ ID NO:2)、発現を提供するために種々の方法によってそれらを操作してもよい。上記で得られたメチラーゼのコンストラクトを用いて、pETシリーズのベクター(米国ウィスコンシン州、マジソン、ノバジェン社(Novagen))を用いたT7プロモータ制御のもとでMseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子の発現を精力的に試みたが、MseI制限エンドヌクレアーゼを産生するクローンを得ることはできなかった。
【0050】
メチラーゼ遺伝子の前に第2の制御可能なプロモータを導入すること、エンドヌクレアーゼ遺伝子のためにコピー数の少ないレプリコンを用い、且つエンドヌクレアーゼ遺伝子の導入に先だって宿主においてLacIリプレッサのコピー数を増やすことを含む、方法の独特の組合せを用いて、組換えMseIエンドヌクレアーゼの過剰発現を制御した。
【0051】
細胞が指数増殖期で急激に増殖している場合、メチラーゼ選定によって得られたメチラーゼのコンストラクトは宿主の大腸菌の染色体DNAを完全には保護しないことが認められた。mseIRが細胞に上手く導入され、発現されるようにメチラーゼの発現を高め、従って宿主のDNAを完全に保護するために、Micrococcus種のDNAからメチラーゼ遺伝子を増幅し、種々の強度で構成プロモータの発現下にてベクターのファミリー(pNKシリーズ、以下の実施例IVを参照のこと)でクローニングした。この試みでは、2つの最高レベルのプロモータの発現に対してメチラーゼのコンストラクトは得られず、我々はメチラーゼの過剰発現による細胞への毒性のためであると考えている。2つのさらに低いレベルで発現しているプロモータを伴ったコンストラクトは、指数増殖期でチェックした場合、MseIによる切断に対して宿主を完全に保護することはできなかった。急激な増殖の間、宿主DNAを完全に保護するが、毒性レベルよりは低く保つようにメチラーゼの発現を高めるために、プロモータコンストラクトの1つでエラー傾向のPCRによってプロモータ領域において無作為変異誘発を行った。上記で引用したメチラーゼ選定技法を用いて、MseIメチラーゼを発現している変異クローンを選択し、次いで、指数増殖期の細胞を回収し、このような宿主細胞からDNAを精製し、MseIの切断からの完全な保護について調べることによって、急激な指数増殖の間にMseIの切断から宿主のゲノムDNAを完全に保護する能力について個々のクローンを調べた。次いで、MseIに対して完全に保護することが見い出されたコンストラクトの1つを、MseIエンドヌクレアーゼの発現に用いた。
【0052】
宿主細胞の増殖のあらゆる段階で完全な保護を達成するためにメチルトランスフェラーゼの発現を調整するこの方法が、エンドヌクレアーゼが宿主細胞で発現するのが困難であるか又は発現が不可能であることを示すその他のシステムに適用可能であることを立証してもよい(米国特許第6,025,179号及び第6,048,731号を参照のこと)。
【0053】
4)誘導可能なプロモータの制御下におけるMseI制限エンドヌクレアーゼの発現
本発明の組換えMseIの発現を最適化するために、誘導可能な又は構成プロモータが周知であり、組換え宿主において高いレベルでmseIR遺伝子を発現するのに用いてもよい。同様に、高いレベルの発現を達成するために、公知のコピー数の多いベクターを使用してもよい。本発明に従って、MseI制限エンドヌクレアーゼの発現に特に好ましい方法は、例えばpVR−24(米国マサチューセッツ州、ベバリー、ニューイングランド・バイオラボズ社)のような、誘導に先立つ細胞増殖の間、MseIエンドヌクレアーゼの発現を制限するように設計された発現ベクターである。このプラスミドは、複製機能(ori)をコードする断片、クロラムフェニコール耐性遺伝子(Cm)、クローニングに好適な制限エンドヌクレアーゼ部位に隣接するカナマイシン耐性をコードする遺伝子を含有する。cI857遺伝子は、ラムダ・バクテリオファージのリプレッサタンパク質の変異型をコードし、PL及びPR(ラムダ・バクテリオファージの主要なそれぞれ左側及び右側のプロモータ)を重ね合わせるDNA配列に条件付きで結合する。lacI遺伝子は、リプレッサタンパク質、LacIをコードし、PT7(バクテリオファージT7RNAポリメラーゼ転写プロモータ)を重ね合わせるように構築されているDNA配列(lacオペレータ)に条件付きで結合する。 簡単に言えば、IPTGの非存在下の高温(42℃)ではアンチセンス・プロモータが活性を持つが、PT7はLacIによって抑制される。30℃でIPTG存在下では発現はPT7から起きる(図14及び15を参照のこと)。中間の温度で中間の濃度のIPTGがあると、中間レベルの発現が得られる。
【0054】
制限エンドヌクレアーゼを過剰発現する安定的なクローンを得るために、宿主は一般に制限エンドヌクレアーゼの消化から予め保護される。本発明では、MseIメチラーゼ遺伝子をクローニングすることによって、又は、MseIの切断に対して完全な保護を提供する方式で別の適合プラスミドに発現されている、例えば、esaDix4IM若しくはesaDix5IMのようなMseIの切断に対して保護するもう1つのメチラーゼ遺伝子をクローニングすることによって、これを達成する。以下の実施例5に示されるように、新規のプロモータ配列をコードするDNA断片がMseIメチルトランスフェラーゼ遺伝子に先行する場合、制限エンドヌクレアーゼ遺伝子コンストラクト及び/又はそのmRNAを含有する発現プラスミドの安定性が改善されうることが判明した。MseIエンドヌクレアーゼ及び保護的メチラーゼ遺伝子を含有する宿主を増殖させ、適当な発現条件で誘導し、細胞を回収して、それからMseIエンドヌクレアーゼを精製することによってMseIエンドヌクレアーゼは製造される。
【0055】
本発明はさらに、MseI制限エンドヌクレアーゼをコードする遺伝子及びMseIの切断から宿主DNAを保護するメチルトランスフェラーゼDNAをコードする遺伝子が微生物に導入され、MseIエンドヌクレアーゼの発現に好適な条件下で生物を増殖させ、それを回収し、それからMseIエンドヌクレアーゼを精製するように前記微生物を形質転換するために組換えDNA修飾法を用いる、MseI制限エンドヌクレアーゼの製造方法を提供する。
【0056】
上記で概略が述べられた工程は、本発明を実施するのに好ましい態様を表しているが、公知の技術に従って上述のアプローチを変えることができることは当業者に明らかであろう。
【0057】
実際に実施するにあたり好ましいため、本発明の実施態様を説明するために以下の実施例を示す。このような実施例はあくまでも例となるものであって、本発明は、本明細書の請求項を除いて、それらに制約されるとはみなされない。
【0058】
上記及び下記で引用した引用文献は参考として本明細書に組み入れられている。
【0059】
【実施例】
実施例1:MseIメチルトランスフェラーゼ遺伝子(mseIM)のクローニング
1LのLBブロス培地中で一晩、Micrococcus種(NEB#446)を増殖させ、細胞を回収し、製造元の指示書に従ってキアゲンのゲノムチップ100/GゲノムDNA精製キット(カタログ番号10243)を用いてゲノムDNAを単離した。Sau3AIでゲノムDNAを部分的に消化して1〜10kbの断片を作製し、この切断されたゲノムDNAの20μgを、BamHIで消化し、脱リン酸化した3μgのpBR322に連結した。連結混合物で大腸菌株ER2502を形質転換した。およそ100,000の形質転換体が得られた。形質転換体をプールし、100μg/mlのアンピシリンを含有する500mlのLBブロス培地で増殖させ、プラスミド集団を精製して1次プラスミド・ライブラリを形成した。このプラスミド・ライブラリ、2μgを過剰のMseI制限エンドヌクレアーゼで完全に消化してER2505を形質転換するのに用いた。得られた形質転換体のプラスミドを2回目の選定の対象とした。80の形質転換体が得られ、これらのうち16のプラスミドDNAをMseI制限酵素消化、続いて寒天ゲル電気泳動によって分析した。調べられた16のプラスミドのうち14はMseIの消化に抵抗性であることが判明し、およそ1.6kbのSau3AI断片上に同一のmseIM遺伝子(SEQ ID NO:1、SEQ IDNO:2)を持つことが判明した。これら14のクローンから調製された細胞の粗抽出物の分析は、MseI活性を示さなかった。
【0060】
実施例2:MseIエンドヌクレアーゼによる切断に対してDNAを保護している環境からのDNA試料からの2つのメチラーゼDNAのクローニング
MseIエンドヌクレアーゼによる切断からDNAを保護することができる代替メチルトランスフェラーゼDNAを探すために、Micrococcus種(NEB446)以外のDNA源からのクローンのライブラリを、1又はそれより多くのMseI制限部位を含有するベクター内に構築してもよい。次いで、このクローンのライブラリは保護していないクローンを破壊するために1又はそれより多くの回数のMseI消化、続いて上記実施例Iのような、保護されたクローンを回収するための消化されたプラスミドによる形質転換によって上記のように選定される。ネバダ州、ディクシーバレーのホットスプリングで68℃にて増殖している原核生物の混合緑色細糸と台座の群生試料から単離されたDNAから、かかるライブラリを創った。2μgのDNAをNsiIエンドヌクレアーゼで消化し、予めPstIで切断し、脱リン酸化した1μgのベクターpNEB193に連結した。エレクトロポレーションにより連結反応物で大腸菌ER2683を形質転換し、およそ1,000,000の形質転換体を得た。形質転換体をプールし、100μg/mlのアンピシリンを含有する500mlのLBブロス培地で増殖させ、プラスミド集団を精製して1次プラスミド・ライブラリを形成した。このプラスミド・ライブラリの1μgを過剰のMseI制限エンドヌクレアーゼで完全に消化して、ER2683を形質転換するのに用いた。得られた形質転換体のプラスミドをミニプレップし、MseI制限酵素消化とそれに続く寒天ゲル電気泳動によって解析した。調べられた9プラスミドは、MseI消化に抵抗性であることが判明し、両者共MseIによる切断からDNAを保護するように機能する2つの異なったメチラーゼ遺伝子のいずれか1つをコードすることが判明した。これら2つのメチラーゼをesaDix4IM及びesaDix5IM(SEQ ID NO:3、SEQ ID NO:4及びSEQ ID NO:5並びにSEQ ID NO:6)と命名した。これらのクローンから調製された細胞粗抽出物の分析は、エンドヌクレアーゼ活性を示さなかった。これらのメチルトランスフェラーゼ又はそのような他のものを用いて宿主自体のDNAを保護してもよく、従ってMseIエンドヌクレアーゼを上手く発現することができる。
【0061】
実施例3:N−末端アミノ酸配列及びインバースPCR法により得られたMseIメチラーゼに隣接するDNA配列を用いたMseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子の同定及び配列決定
(A)Micrococcus種に由来するMseI制限エンドヌクレアーゼのほぼ均質になるまでの精製
30℃にてLB培地中でMicrococcus種(NEB#446)の細胞を増殖させた。20時間の増殖の後、遠心により細胞を回収し、使用するまで−70℃に保管した。手順のすべては氷上にて又は4℃にて行った。実施例VIと同様の図式に従ってMseIエンドヌクレアーゼを精製した。およそ10,000単位のMseI活性をほぼ均質になるまで精製した。16μlのピーク分画をSDS−PAGEタンパク質ゲルに載せて、電気泳動を行った。クマシーブルーR250にてゲルを染色し、MseI制限エンドヌクレアーゼ活性に相当する約21kDの顕著なバンドが認められた。
【0062】
(B)MseIタンパク質のアミノ末端の配列
記載されたように調製されたMseI制限エンドヌクレアーゼを電気泳動し、Matsudaira(Matsudaira, P., J. Biol. Chem., 262:10035-10038, 1987)の方法に従い、以前記載されたように改変して電気的にブロットした(Looney, et al., Gene 80:193-208, 1989)。クマシーブルーR−250で膜を染色し、約21kdのタンパク質バンドを切り出し、パーキンエルマー社(米国カリフォルニア州、フォスターシティ)のアプライド・バイオシステムズ・ディビジョンのモデル407Aガス相タンパク質シーケンサーによる連続分解を行った(Waite-Rees, et al., J. Bacteriol., 173:5207-5219, 1991)。21kDのタンパク質の最初の25残基は(Met)−Thr−His−Glu−Pro−Thr−Asp−Asp−Pro−Asp−Phe−Ile−Val−Met−Ala−Ala−Ser−Ala−Xxx−Asn−Leu−Ala−Asp−Xxx−Tyr(SEQ ID NO:10)に相当した。このデータを用いて、メチラーゼ遺伝子に隣接するDNA配列から推定されたアミノ酸配列と比較し、エンドヌクレアーゼ遺伝子を同定した。
【0063】
(C)mseIMメチラーゼに隣接するDNA配列の決定
インバースPCRの増幅のための鋳型調製:50μlの反応容量にて1xNEB緩衝液#4中で37℃にて1時間、1μgのMicrococcus種(NEB#446)のDNAを10単位のHaeII制限エンドヌクレアーゼで消化した。75℃にて20分間インキュベートすることによりHaeII酵素を熱失活させた。50μlの10xT4DNAリガーゼ緩衝液及び400μlのdHO、続いて5μl(2000NEB単位)のT4DNAリガーゼ(NEB#202)を加え、16℃にて16時間インキュベートすることによって、HaeIIで消化したDNAを環化した。次いで、続いて行うインバースPCR反応用鋳型として、この環化連結反応物の一部を用いた。
【0064】
以下に示した配列のプライマー、MseI−IP1及びMseI−IP2を合成した。これらプライマーをMseIエンドヌクレアーゼとハイブリッド形成させ、互いに関して反対向きに向かせる。
【0065】
プライマー MseI−IP1
5’−CTTCTGCAGCCGATTTCATAGTGATGGC−3’
(SEQ ID NO:11)
プライマー MseI−IP2
5’−GTTCTGCAGATCGGGATCATCCGTCGG−3’
(SEQ ID NO:12)
【0066】
産物を増幅するのに成功した反応では、以下を組合せて反応ミックスを作製した。
10μlの10xベント(登録商標名)反応緩衝液
6μlの4mM−dNTP溶液
5μlの10μM濃度のプライマーMseI−IP1
5μlの10μM濃度のプライマーMseI−IP2
3μlの100mM MgSO(Mg++の最終濃度5mM)
12.5μlの環化DNA鋳型(およそ25ng)
58μlのdH
2μl(4単位)のベント(登録商標名)エクソ−ポリメラーゼNEB#257
【0067】
PCRの増幅条件は:95℃にて3分間が1サイクル、続いて95℃にて30秒間、52℃にて30秒間及び72℃にて1.5分間が4サイクル、続いて95℃にて30秒間、62℃にて30秒間、72℃にて1.5分間が20サイクルであった。0.8%寒天ゲルの電気泳動によって10μlのPCR反応物を分析した。
【0068】
HaeII環状鋳型PCR反応においておよそ1350塩基対の産物が認められた。産物をゲルで精製し、25μlのDNA(1xTE)緩衝液に浮遊した。次いで、配列決定プライマーとして上記のPCRプライマーを用いて、製造元の指示書に従い、ABI373自動配列決定システムによってこのPCR産物の配列を決定した。さらに、以下のプライマーで同様の反応においてMseIエンドヌクレアーゼ領域をPCRで増幅し、PCR産物を配列決定した。
【0069】
プライマー MseI−IP3
5’−GGTTCTGCAGTTAAGGAGGTTTAACATATGACCCACGAACCGACGGATG−3’
(SEQ ID NO:13)
プライマー MseI−IP4
5’−GTTGGATCCGTCGACGCTTCTCGGCGTACCGAGCG−3’
(SEQ ID NO:14)
【0070】
MseIメチラーゼ遺伝子に隣接するDNA配列をアミノ酸翻訳したものとMseIエンドヌクレアーゼのN−末端アミノ酸配列から得られたアミノ酸配列のデータを比較することによってMseIエンドヌクレアーゼ遺伝子を同定する。MseIメチラーゼと同一方向を向き、メチラーゼ遺伝子と7個のアミノ酸残基が重なり合っているオープンリーディングフレームが見い出され、その中では、DNA配列をコードする最初の25個のアミノ酸が、MseIエンドヌクレアーゼタンパク質から決定されたアミノ酸配列に一致していた。
【0071】
ゲノムプライミングシステム(米国マサチューセッツ州、ベバリー、ニューイングランド・バイオラボズ)のGPS(登録商標名)−1を用いて、MseIメチラーゼ遺伝子及び制限エンドヌクレアーゼ遺伝子を持つ挿入物の配列決定を行った。GPS(登録商標名)−1は、カナマイシン耐性のnptII遺伝子と共に修飾されたTn7を含有しており、製造元(米国マサチューセッツ州、ベバリー、ニューイングランド・バイオラボズ社)の指示書に従って、MseIメチラーゼ遺伝子の一部を含有するpVR−18及びpNEB193においてin vitroにて挿入物を作成した。次いで、GPS(登録商標名)−1キット(トランスプライマーのそれぞれ左端及び右端に対するプライマーS及びプライマーN)に含まれるプライマーを用いて、製造元の指示書に従ってABI373自動配列決定システムを用いて、これら挿入物の配列を決定した。
【0072】
実施例4:MseIMの発現の最適化
(1)構成プロモータの別の強度のもとにMseIメチラーゼ遺伝子を配置すること
MseIメチラーゼの構成的発現の範囲を達成するために、異なった強度の構成プロモータを含有するpNKベクターの関連するファミリー(N.Klecknerによる供与)を利用した。このようなプラスミドは、BamHI部位の上流にWT又は変異型pHisプロモータのどちらかを含有し、RS415プラスミドの誘導体である(Simons, et al., Gene, 53:85-96, 1987)。名称とプロモータ強度は以下のとおりである
【0073】
【表1】

Figure 0004825383
【0074】
BamHI、MunI及びBanIIで上記プラスミドを消化し、構成プロモータを含有するベクターの骨格をゲルで精製した(類似する大きさのプラスミド断片を除去することによってベクター骨格のゲルによる精製を助けるために、BanII消化を含めた)。
【0075】
上述の構成プロモータの下流に挿入するのにMseIメチラーゼ遺伝子を調製するために、ベント(登録商標名)DNAポリメラーゼ、1xサーモポル緩衝液、4mMのMgSO、100μlのPCR反応物における鋳型としてMseIメチラーゼ遺伝子を含有する80ngのpVR19プラスミド(R.Vaisvila)、及びメチラーゼ遺伝子に関してBamHI部位の上流に導入する、5’−GAACCGGATCCGACCCTGAGTGAGAACATGCC−3’(SEQ ID NO:15)プライマー並びにMfeI部位の下流に導入する5’−AGGTCGCAATTGCCAGGGGTCGTCTTCACTCGCTAC−3’(SEQ ID NO:16)プライマーを用いてPCRを行った。95℃にて10秒間、60℃にて60秒間及び72℃にて75秒間を25サイクル行った。キアクイックPCR精製プロトコールを用いて、得られた1019塩基対のPCR産物を精製し、BamHIとMunIで順に消化し、キアクイックPCR精製プロトコールを用いてもう1回精製した。
【0076】
4つのBamHI−MunIベクター骨格すべてにMseIメチラーゼ遺伝子を連結し、ER2688細胞を形質転換して、ルリア−ベルターニ(Luria−Bertani)(リットル当り1グラムのグルコースと1グラムのMgClを補った;以下補完LBという)寒天プレートに播いた。しかしながら、おそらく細胞における高いレベルのメチル化に由来する不安定性のために、発現の最も高い2つのレベルのもとにMseIメチラーゼを配置するという試みは失敗した。さらに低い2つのレベルの発現を含有するコンストラクト、pNKR1707MseIm及びpNKR2213MseImは、このような細胞から精製したプラスミドDNAのMseIによる制限(50μl容量における1μgのプラスミドDNA、20単位のMseIで37℃にて1時間)に対する感受性により判断されるように、細胞性DNAの完全なメチル化は生じなかった。
【0077】
(2)エラー傾向PCRによる無作為に変異誘発を行った構成プロモータのライブラリの構築
pNKR2213MseImと明らかに不安定なpNKR1786MseImとの間の、MseIメチラーゼに対する中間レベルのプロモータコンストラクトを見つけるために、構成プロモータ領域を無作為PCR変異誘発と選定の対象とした。変異誘発プロトコールでは、高レベルのTaqDNAポリメラーゼ(100μlの反応容量当り5単位)、不均等dNTPプール(1.2mMのdCTPとTTP;0.2mMのdATPとdGTP)、高レベルのMgCl2(7mM)、MnCl2(0.5mM)の存在、100μl容量当り2ngのpNKR1707MseIm及びサイクル数の多い(35)PCRを採用した。AgeI制限部位及びBamHI制限部位でMseIメチラーゼに隣接するプライマーはそれぞれ、5’−GCGATACAGACCGGTTCAGACAGGATAAAG−3’(SEQ ID NO:17)及び5’−GGTCGGATCCGGCGATACAGCGAG−3’(SEQ ID NO:18)。
【0078】
PCRの後、AgeI及びBamHIで変異誘発したプロモータコピーを切断し、キアゲンのゲル精製キットでゲルによる精製を行い、その内因性構成プロモータを精製して除いた、AgeI−BamHI制限部位を持つpNKRMseImコンストラクトに連結した。ER2688コンピテント細胞にエレクトロポレーションした後、20,000個のコロニーを得た。このようなコロニーをプールし、キアゲン精製プロトコールを用いてプラスミドを精製した。これによって、MseIメチラーゼ遺伝子の上流に無作為で変異誘発された構成プロモータのライブラリが構築された。
【0079】
(3)MseI制限切断に耐性のプラスミドをもたらすクローンの選定
安定な、高レベルのメチル化を生じる変異誘発された構成プロモータを処理するプラスミドを選定するために、5μgのプラスミドライブラリをMseI制限(5μgのDNA、50単位のMseI)に37℃で4時間暴露し、続いて65℃で20分インキュベートしてMseI制限エンドヌクレアーゼを不活化した。暴露したプールの一部(250ng)でER2688カルシウム−コンピテント細胞を形質転換し、補完LB寒天プレートに播いて、37℃にて一晩増殖させた。これによって63コロニーが生じた。
【0080】
63コロニーのうち6個を無作為に選択し、さらに個々の実験を行った;10mlの補完LB培地中での一晩の増殖の後、キアゲンのキア−プレップスピン・ミニプレップ・プロトコールを用いてプラスミドDNAを精製した。100ngの精製プラスミドDNAを37℃にて30分間20単位のMseIに暴露すると、6個すべて完全に制限されたということは、不適当なレベルのメチル化を示している。
【0081】
残りの57コロニーをプールし、キアゲンのプラスミド精製プロトコールを用いてプラスミドの精製を行った。このプラスミドのプールから、50ngをさらに長い(一晩)50単位のMseI暴露の対象とし、続いて65℃にて20分間インキュベートしてMseIの制限エンドヌクレアーゼを不活化した。暴露したプールの一部(4ng)でER2688カルシウム−コンピテント細胞を形質転換し、補完LB寒天プレートに播いて、37℃にて一晩増殖させた。これによって13コロニーが生じた。
【0082】
13コロニーのうち9個を無作為に選択し、さらに個々の実験を行った;一晩の増殖及び以前記載したようなプラスミドの精製の後、1μgのプラスミドDNAを50μlの反応容量中の50単位のMseIとともに37℃にて一晩インキュベートすると、9個のうち7個で完全にメチル化されたことが判明した。
【0083】
細胞に存在するメチル化のレベルをさらに立証するために、培養の対数増殖期の間にプラスミド精製のために7コロニーを回収した(一晩の培養を新鮮な補完LB増殖培地で1:100に希釈した4時間後、37℃にて、細胞を回収した。)。かかる細胞は、発現されたMseIメチラーゼによるメチル化が完全なメチル化を達成することができないような速度でDNAを複製していることが予想される。キアゲンのキア−プレップ精製プロトコールを用いて、このような対数的に増殖している培養からプラスミドDNAを精製し、0.5μgのこのプラスミドDNAを37℃にて一晩、50単位のMseIとインキュベートした。このさらにメチル化が困難な基準を用いて、7コロニーのうち3個が完全に保護され(メチル化され)、制限切断に抵抗性であった。
【0084】
安定で、完全なレベルのMseIメチル化を生じる3個のクローン(#4、#9及び#10)は、AgeI及びBamHIでマッピングすることによって、及びプロモータ領域の上流にアニーリング部位を持つプライマーを用いて配列決定することによって調べられたプロモータ領域を有していた(5’−GGATCTTCCAGTGGTGCATGAACG−3’(SEQ ID NO:19))。3クローンのうち2個(#9と#10)は同一であり;従って、記載された2段階選定工程によって、結果として、安定な、MseIメチル化の完全なレベルが得られる2つの別々のプロモータが見い出された。
【0085】
思いがけないことに、両プロモータ#4及び#9/#10は、実験設計したような変異誘発された構成プロモータではなかったが、その代わり、プラスミド調製物に存在する低レベルの大腸菌DNAの混入に起源があるに違いないAgeI−BamHI大腸菌配列であった。
【0086】
#4プロモータは、AgeI/BamHIのマッピングによれば、約1000塩基対の長さであると思われ、配列決定によれば、最初の438塩基対は、大腸菌K−12MG1655区分349(寄託受入番号、第AE000459号)の塩基番号7813〜8251と同一であった。配列データを調べると、BamHI部位は、塩基番号8814で見い出され、それによって1002塩基対のAgeI−BamHI大腸菌断片が得られた。この大腸菌配列は、yigW_2orfの5’末端及び2つの予測されたプロモータを含有しており、そのうちの1つは、MseIメチラーゼと同一方向を向いている(8672〜8704番目)。
【0087】
#9/#10プロモータのマッピングは、AgeI/BamHIによって約420塩基対の長さであると思われ;配列決定によれば、プロモータは大腸菌K−12MG1655の区分41(寄託受入番号、第AE000151号)の塩基番号2511〜2998と同一であった。これによって488塩基対のAgeI−BamHI大腸菌断片が決定され、それは、cof orfの5’末端及び塩基番号2605〜2632及び2714〜2742にてMseIメチラーゼと同じ方向を向いた2つの予測されたプロモータを含有する。この#9/#10の配列を用いてさらに調べた。
【0088】
(4)MseIメチラーゼ発現のさらなる最適化
上記の戦略を用いて、プラスミドpVR−25でMseIエンドヌクレアーゼの発現を許すMseIメチルトランスフェラーゼの発現レベルを達成した。思いがけないことに、初めて形質転換され、増殖させた場合、プラスミドpVR−25の中で最適化されたMseIメチラーゼ(上記#9)及びMseIエンドヌクレアーゼを持つER2566宿主細胞はMseIエンドヌクレアーゼを発現したが、このコンストラクトをグリセロール中で−70℃にて保存した場合、MseIは安定的に維持されなかった。
【0089】
宿主のMseIのさらに大きな修飾を達成するためにMseIメチラーゼのコンストラクトをさらに修飾した。上述したように、おそらく細胞における高いレベルのメチル化に由来する不安定性のために、最も高い2つのレベルの構成的な発現のもとにMseIメチラーゼを配置するという試みは失敗した。最大限、認容されるレベルのメチル化を達成するために、新しいM.MseI発現プラスミド、pVR−26を構築した。上記(3)で記載されたものに由来する第2のプロモータを挿入することによってpVR−26を構築した(表2を参照のこと)。M.MseIをコードする領域(mseIM遺伝子)及びプラスミドpNKR1707mseIM−9(PmeIとMfeIで消化された)からの上流のプロモータを含有する1.244−kbのDNA断片を切断し、EcoRIとHincIIで切断したベクターpNEB193(米国マサチューセッツ州、ベバリー、ニューイングランド・バイオラボズ社)におけるPlacUV5プロモータのすぐ下流に挿入することによって、これを行った。もう1つのMseIメチラーゼのコンストラクト、pVR27は、PlacUV5プロモータとpVR26からのlacIオペレータを含有する0.379−kbのPmeI−AflIII断片を削除することによって作成した。pVR−26mseIMメチラーゼ発現ベクターによってMseIエンドヌクレアーゼの安定な発現が得られた。
【0090】
【表2】
Figure 0004825383
【0091】
実施例5:MseI制限エンドヌクレアーゼ発現の最適化
(1)発現ベクターの構築
当該技術で周知のように、制限エンドヌクレアーゼは細胞毒性のタンパク質である。多くの場合、高い発現を助長にするように設計されたプラスミドに毒性遺伝子をクローニングする試みは極めて難しい。細胞毒性遺伝子を発現するのに特に好ましいプラスミドの1つは、pLT7Kである(Kong, et al., Nucl. Acids Res., 28:3216-3222, 2000)。このプラスミドは、複製機能をコードする断片(ori)、β−ラクタマーゼをコードする遺伝子、及びクローニングに好適な制限エンドヌクレアーゼに隣接するカナマイシン耐性をコードする遺伝子を含有する。cI857遺伝子は、PLとPR(ラムダバクテリオファージの主要な、それぞれ左側と右側のプロモータ)を重ね合わせるDNA配列(CIオペレータ)に条件付きで結合するラムダバクテリオファージのリプレッサタンパク質に由来する変異体をコードする。lacI遺伝子は、リプレッサタンパク質LacIをコードし、それは、PT7(バクテリオファージT7のRNAポリメラーゼ転写プロモータ)を重ね合わせるように構築されたDNA配列(lacオペレータ)に条件付きで結合する。簡単に言えば、IPTG無しでの高温(42℃)では、アンチセンスのプロモータが活性を持ち、PT7はLacIによって抑制される。IPTGを伴った30℃では、発現はPT7から生じる。
【0092】
MseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子の過剰発現にpLT7Kを適合させるために、NdeI制限エンドヌクレアーゼ部位とリボソーム結合部位を導入した。さらに、colEIレプリコンをp15Aレプリコンに変更し、コピー数を1/3に減らした(約50から約15に)。これを達成するために、AclIとBamHIでpLT7Kを消化した。cI857、ラムダPL、Kn耐性遺伝子及びT7プロモータを含有する得られた1.2−kbの断片をキアゲンのキアクイック・ゲル精製キット(カタログ番号28704)を用いて寒天ゲルから単離し、予めClaIとBamHIで消化したpACYC184−T7terΔPshAIベクターに連結した。pACYC184−T7terΔPshAIは、pACYC184−T7terのPshAI欠失誘導体である。このコンストラクトをpVR−24と命名した(図14)。
【0093】
正方向(5’−AGACTCCCCCATATGACCCACGAACCGACGGATG−3’)(SEQ ID NO:20)及び逆方向(5’−GGGTGGTCCCGCTAGCTATTAGTAGGGACCGGGG−3’)(SEQ ID NO:21)のプライマーのセットによるPCRによってmseIR遺伝子に対するオープンリーディングフレーム(ORF)を増幅した。下線を引いた塩基は正方向プライマーのNdeI切断部位の位置を示す。ベント(登録商標名)DNAポリメラーゼ、1xサーモポル緩衝液、100μ1のPCR反応物中の鋳型としての500ngのMicrococcus種(NEB#446)の染色体DNA及びプライマーを用いてPCRを行った。95℃にて15秒間、68℃にて60秒間、72℃にて45秒間から成るサイクルを25回行った。キアクイックPCR精製プロトコールを用いて、得られた700塩基対のPCR産物を精製し、クレノウ酵素で処理し、NdeIで消化して、キアクイックPCR精製プロトコールを用いて、もう1回精製した。
【0094】
MseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子を含有する、得られた700塩基対のNdeI−平滑末端断片を、NdeIとStuIで消化したpVR−24ベクターに連結し、 予めMseIメチラーゼ遺伝子コンストラクト、pNKR1707MseIm−9で修飾した大腸菌ER2502細胞を、連結物で形質転換した。分析した18の形質転換体のうち、3個がmseIR遺伝子を含有していた。MseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子を含有するDNA挿入体の配列を決定した後、MseI制限エンドヌクレアーゼを製造するために、1個の組換えプラスミド、pVR−25を選択した。
【0095】
(2)株の構築
宿主においてLacIリプレッサのコピー数を増やすために、米国特許出願 出願番号第09/689,359号に記載されたように、株ER2833(T7lacIq株)を構築した。
【0096】
(3)別の宿主及び異なったレベルでMseIメチラーゼを発現するプラスミドと組合せた大腸菌におけるMseI制限エンドヌクレアーゼの過剰発現の最適化大腸菌におけるMseI制限エンドヌクレアーゼの過剰発現を最適化するために、これらMseIメチラーゼを発現するプラスミド(pNKR1707MseIm−9、pCR−26及びpVR−27)の1つを持つことによってMseIエンドヌクレアーゼの自己消化から事前に保護された、発現株、ER2566/pCEF−8にpVR−25を移入した。ER2566/pCEF−8は、誘導可能なlacプロモータ及び、低レベルのT7リゾチームとT7RNAポリメラーゼの天然阻害を特徴とするpSYX20を基にしたプラスミド、pCEF−8の制御のもと、T7RNAポリメラーゼに対する遺伝子の染色体コピーを含有する宿主株である。さらなる情報については、Moffatt,B.A.及びStudier,F.W.の『T7リゾチームはT7RNAポリメラーゼによって転写を阻害する』(Cell, 49:221-227, 1987)を参照のこと。誘導されない細胞では、リゾチームはT7RNAポリメラーゼの基礎的な活性を低下させ、発現宿主中で安定に維持することができる標的遺伝子の範囲を増やす。さらに、F’エピゾーム上にlacIq遺伝子を1コピー有するもう1つの発現株、ER2833/pCEF−8を用いた。
【0097】
全体として、大腸菌におけるMseI制限エンドヌクレアーゼ発現の研究には6株を用いた(表2)。株はすべて、MseI制限エンドヌクレアーゼを発現するpVR−25プラスミド及びT7バクテリオファージのリゾチーム遺伝子をコードするpCEF−8プラスミドを含有する。MseI制限エンドヌクレアーゼの高い収量について選択するために、種々の増殖条件を用いて、形質転換された宿主細胞を増殖させた。最適化実験で好ましい培地は、ルリア−ベルターニ(1リットル当り1グラムのグルコースと1グラムのMgClを補った;以後補完LBという)培地であった。
【0098】
増殖条件は以下のとおりであった。
MseRM1: 個々のコロニーからの細胞を0.5リットルのLB培地中で42℃にて8時間増殖させ、その後、0.2mMの最終濃度でIPTGを加えてT7RNAポリメラーゼを誘導し、30℃にて一晩(15時間)細胞を増殖させた。必要に応じて抗生物質:30μg/mlのカナマイシン、100μg/mlのアンピシリン及び30μg/mlのクロラムフェニコールを加えた。最後に遠心によって培養したものを回収し、−20℃に凍結した。
【0099】
MseRM3: 各実験について、個々のコロニーからの細胞を0.5リットルのLB培地中で30℃にて一晩(17時間)増殖させ、その後、0.2mMの最終濃度でIPTGを加えてT7RNAポリメラーゼを誘導し、細胞を4時間増殖させ続けた。必要に応じて抗生物質:30μg/mlのカナマイシン、100μg/mlのアンピシリン及び30μg/mlのクロラムフェニコールを加えた。最後に遠心によって培養したものを回収し、−20℃に凍結した。
【0100】
MseRM4、MseRM5及びMseRM6: 細菌培養物は50%グリセロール中、−70℃における凍結保存溶液として保持された。播種に用いた培養物は、単一コロニーを得るために適当な抗生物質を含有したLBプレート上に筋状に播いた。個々のコロニーを1mlのLB培地に再浮遊し、30μg/mlのカナマイシン、100μg/mlのアンピシリン及び30μg/mlのクロラムフェニコールを補った500mlのLB培地を含有する1000−mlのフラスコに播種した。振盪培養器で37℃、250rpmにて細胞を一晩(16時間)増殖させた。その後、最終濃度0.2mMでIPTGを加えた。さらに4時間細胞を培養し、次いで4℃で5分間8,000rpmにて遠心することによって細胞を回収し、−20℃にて凍結した。
【0101】
高レベルの発現クローンを同定するために2つの好ましい制限エンドヌクレアーゼアッセイを用いた。
超音波破砕法: 誘導した細胞(500ml)を回収し、10mMのトリスHCl(pH7.5)及び1mMのEDTAを含有する超音波破砕用緩衝液20mlに再浮遊した。氷上にてマクロ−チップのプローブで30秒間の衝撃を4回行うことによって細胞を超音波破砕した。粗抽出物の一部をNEB緩衝液2緩衝液(50μl)中のラムダDNA(1μl)に加え、37℃にて1時間インキュベートした。0.8%のゲル電気泳動によってDNAを分画し、EtBr染色によって視覚化した。
【0102】
エクスプレス法: 一晩、培養物又は誘導培養物(10〜500ml)を1ml回収し、50mMのトリスHCl、pH7.5及び25%(容量/容量)のスクロースを含有する緩衝液0.2mlに再浮遊し、溶液が均質になるまで混合した。200mMのEDTA(pH8.0)を11μlそれに0.25MトリスHCl(pH8.0)中で新しく調製した10mg/mlのリゾチームを200μl溶液に加え、氷上で5分間インキュベートした。次いで11.5μlの1M、MgCl及び24.2μlの5%(容量/容量)Brij−58を加えた。溶液をゆっくり混合し、室温にて15分間インキュベートした。インキュベートした後、4℃にて15分間、微量遠心機の最大速度で細胞粗溶解物を遠心した。上清をピペットにより新しいエッペンドルフ管に移し、必要になるまで氷上で保管した。37℃にて1時間、MseI反応緩衝液(NEB緩衝液2)中で細胞抽出物の連続希釈によって、ラムダDNA基質(1.0μg)を消化した。電気泳動によりDNAを分画し、EtBr染色によって視覚化した。ラムダDNAのMseI消化と関係する適当なサイズのバンドの存在によって活性を決定した。
【0103】
MseI制限エンドヌクレアーゼ発現の最適化に関する結果を表3に要約した。
【0104】
MseRM1株によって様々な収量のMseI制限エンドヌクレアーゼ(0.08〜0.5x10U/g細胞の湿重量)が得られた。細胞は緩やかに増加し、遅延時間はことのほか長かった。
【0105】
lacを基にした組換え発現システムの安定性及び再現性を高めるために、F’エピゾーム上にlacI遺伝子を1コピー有する新しい宿主株ER2833を構築した(米国特許出願、出願番号第09/689,359)。実際、lacI宿主(MseRM3)における発現の安定性及びプラスミドの維持性は著しく高められた:MseI制限エンドヌクレアーゼの収量は、0.5〜1.4x10U/g細胞の湿重量であった。この株(実施例4を参照のこと)から精製されたMseI制限エンドヌクレアーゼは、実質的に非特異的エンドヌクレアーゼ及びエクソヌクレアーゼを含まず、最終的な収量は約150,000U/gであった。それは、元来のMicrococcus種(NEB#446)から得られるよりも約100倍多かった。
【0106】
【表3】
Figure 0004825383
【0107】
残念ながら、MseRM3株は、−70℃で保存し、回復させた後、MseI制限エンドヌクレアーゼ活性を示さなかった。この問題を解決するために、pVR−26及びpVR−27(上記実施例4)を構築することによってMseIメチラーゼの発現レベルを高めた。このような株(MseRM4、MseRM5及びMseRM6)では、−70℃で株を保存した後でさえ高いMseI制限エンドヌクレアーゼ収量が得られ、MseRM4(NEB#1284;米国マサチューセッツ州、ベバリー、ニューイングランド・バイオラボズ社)は、100リットルの製造用発酵槽でのスケールアップに用いられた(実施例4を参照のこと)。この大規模発酵でのMseI制限エンドヌクレアーゼの収量は細胞の湿重量当り0.5x10U/gであった。
【0108】
実施例6:組換えMseI制限エンドヌクレアーゼの製造
100リットルの発酵槽において、晩期対数増殖期に増殖した組換え大腸菌株NEB#1284からMseI制限酵素を製造した。この細胞の試料を、2000年8月28日、ブタペスト協定の規約と条件のもとにATCCに供託し、「ATCC受入番号PTA−2421」を受け取った。
【0109】
(A)細胞の増殖
50%グリセロール中−70℃での凍結保存溶液として、組換えMseI制限エンドヌクレアーゼを含有する形質転換された大腸菌宿主、NEB#1284を保存した。播種用に用いた培養物を、アンピシリン(100μg/ml)、クロラムフェニコール(30μg/ml)及びカナマイシン(50μg/ml)を含有するLB寒天プレートに筋状に播き、37℃にて一晩インキュベートして単一コロニーを得た。30μg/mlのカナマイシン、100μg/mlのアンピシリン及び30μg/mlのクロラムフェニコールを補った10mlのLB培地に播種するのに数個のコロニーを用いた。37℃、250rpmの振盪培養器にて細胞を3時間増殖させ、次いで30℃にてさらに3.5時間増殖させた(培養物の過剰増殖を回避するため)。この培養の最終的に補正されたクレットは122又は対数増殖期の中ほどであった。この培養物を用いて、30μg/mlのカナマイシン、100μg/mlのアンピシリン及び30μg/mlのクロラムフェニコールを補った100リットルのLBに播種した。2SCFMの通気(1分当りの標準立方フィート)及び200rpmの撹拌速度で30℃にて18時間、発酵を行った。最終補正クレットは313であった。この発酵から331グラムの細胞(湿重量)を連続流れ方式の遠心によって回収し、−70℃に保存した。1gの細胞から粗抽出物を作成し、上記の方法(実施例5を参照のこと)を用いて、酵素活性を推定した。 粗抽出物中のMseI制限エンドヌクレアーゼの収量は500,000#U/gであり、それは、Micrococcus種(NEB#446)の粗抽出物に比べて約100倍高い。
【0110】
(B)NEB#1284からのMseI制限エンドヌクレアーゼの精製
以下の工程はすべて氷上にて又は4℃のどちらかにて行った。990mlの緩衝液A(0.15MのNaCl、10mMのトリスHCl、pH7.5、10mMのBME、1mMのEDTA及び5%(容量/容量)のグリセロール)に330グラムの細胞を浮遊し、0.56のO.D.までガウリン・プレスによってpsig12Kにて4回破砕した。PEG6000を7.5%でNaClを0.5Mで加えることにより、1150mlの上清をPEG沈殿し、次いで4℃にて50分間インキュベートした。4℃にて12Kで30分間、PEGスラリーを遠心した。580mlの上清をNaClを含まない緩衝液Aで0.1MのNaClに希釈し、緩衝液Aで平衡化した430mlのヘパリンハイパーDカラムにかけた。1200mlの緩衝液Aでカラムを洗浄し、次いで4000mlの0.1MのNaCl〜1.0MのNaClの直線勾配を適用した。0.25M〜0.35MのNaClで制限酵素活性が溶出し、それをプールした。ヘパリンハイパーDプールをNaClを含まない緩衝液Aで0.1MのNaClに希釈し、緩衝液Aで平衡化した88mlのPEIカラムにかけた。100mlの緩衝液Aでカラムを洗浄し、1000mlの0.1M〜1.7MのNaClの直線勾配を適用した。0.7〜0.9MのNaClで制限酵素活性が溶出し、緩衝液C(50mMのNaCl、15mMのトリスpH7.5、10mMのBME、0.1mMのEDTA及び5%(容量/容量)のグリセロール)に対して一晩透析し、緩衝液Cで平衡化した20mlのソースQカラムにかけた。40mlの緩衝液Cでカラムを洗浄し、400mlの0.05MのNaCl〜1.0MのNaClの直線勾配を適用した。0.25M〜0.35MのNaClで制限酵素活性が溶出し、それをプールした。ソースQプールを緩衝液D(10mMのKPO4、pH7.0、0.075MのNaCl、10mMのBME、0.1mMのEDTA、及び5%(容量/容量)のグリセロール)に対して透析し、緩衝液Dで平衡化した20mlのヘパリンTSKカラムにかけた。40mlの緩衝液Dでカラムを洗浄し、400mlの緩衝液D中の0.075M〜1.0MのNaClの直線勾配を適用した。0.3〜0.4MのNaClで制限酵素活性が溶出し、それをプールした。最終濃度100μg/mlでBSAを加えた。プールしたものを保存用緩衝液(20mMのトリスHCl、pH7.5、0.1MのEDTA、1mMのDTT、50mMのNaCl、50%(容量/容量)のグリセロール、200μg/mlのBSA)に対して一晩透析した。この精製法で26,000,000単位のMseI制限エンドヌクレアーゼが得られた。この精製で得られたMseI制限エンドヌクレアーゼは実質的に非特異的なエンドヌクレアーゼ及びエクソヌクレアーゼを含んでいなかった。
【0111】
以下の基準を見ることによってMseI制限エンドヌクレアーゼ調製物の純度をチェックした。
【0112】
1.連結:ラムダDNAの5倍過剰消化の後、生じたDNA断片の95%を越えるものが、T4DNAリガーゼと連結された(16℃にて1〜2μMの5’末端濃度)。この連結断片のうち95%が再切断可能であった。
【0113】
2.持続消化:1μgのラムダと100単位の酵素を含有する50μlの反応物を16時間インキュベートした後、1単位の酵素で1時間行われた反応としてDNAバンドの同じバンドパターンが生じた。
【0114】
3.エクソヌクレアーゼ活性: 1μgの超音波破砕した3H DNA(105cpm/μg)を含有する50μlの反応において37℃にて4時間、100単位の酵素をインキュベートした後、0.4%未満の放射活性が放出された。
【0115】
試験はすべて、以下の反応緩衝液:NEB緩衝液2(50mMのNaCl、10mMのMgCl、10mMのトリスHCl、1mMのDTT、25℃にてpH7.9、100μg/mlのBSA補完)で行った。単位の決定:50μlの1xMseI反応緩衝液(NEB緩衝液2)中で、37℃にて1時間、連続希釈したMseIエンドヌクレアーゼでラムダDNA基質(1.0μg)を消化した。電気泳動によってDNAを分画し、EtdBrによって視覚化した。ラムダDNAのMseI消化に関係する適当なサイズのバンドの存在によって活性を決定した。制限エンドヌクレアーゼ活性の1単位は、特定したNEB緩衝液を用いて、50μlの総反応容量中の1μgの基質DNAを1時間で完全に消化するのに必要な量として定義される。
【0116】
【配列表】
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【図面の簡単な説明】
【図1】MseIDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子をコードする組換えプラスミドpVR18の制限地図を示す。
【図2】推定上のDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子をコードする組換えプラスミドpEsaDix4Iの制限地図を示す。
【図3】推定上のDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子をコードする組換えプラスミドpEsaDix5Iの制限地図を示す。
【図4】推定上のDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子をコードするpEsaDix4IプラスミドのMseIに対する感受性の寒天ゲル解析を示す。レーン1、切断されていないpEsaDix4I;レーン2、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpEsaDix4I;レーン3、切断されていないpUC19;レーン4、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpUC19;レーン4、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpEsaDix4I+pUC19;レーン5、分子量の基準(1kbのDNAラダー、ニューイングランドバイオラボズ社)。
【図5】推定上のDNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子をコードするpEsaDix5IプラスミドのMseIに対する感受性の寒天ゲル解析を示す。レーン1、切断されていないpEsaDix5I;レーン2、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpEsaDix5I;レーン3、切断されていないpUC19;レーン4、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpUC19;レーン4、10単位のMseIと共に一晩インキュベートした後のpEsaDix5I+pUC19;レーン5、分子量の基準(1kbのDNAラダー、ニューイングランドバイオラボズ社)。
【図6】mseIM遺伝子のDNA配列(SEQ ID NO:1)及びそれにコードされたアミノ酸配列(SEQ ID NO:2)を示す。
【図7】esaDix4IM遺伝子のDNA配列(SEQ ID NO:3)及びそれにコードされたアミノ酸配列(SEQ ID NO:4)を示す。
【図8】esaDix5IM遺伝子のDNA配列(SEQ ID NO:5)及びそれにコードされたアミノ酸配列(SEQ ID NO:6)を示す。
【図9】mseIR遺伝子のDNA配列(SEQ ID NO:7)及びそれにコードされたアミノ酸配列(SEQ ID NO:8)を示す。
【図10】エラー傾向PCRによって無作為に変異誘発された構成プロモータのライブラリの構築に用いられた組換えプラスミドpNKR1707mseIMの制限地図を示す。
【図11】MseI DNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子及び上流の調節要素をコードする組換えプラスミドpNKR1707mseIM−9の制限地図を示す。
【図12】最適プロモータ配列を含有するMseI DNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子(SEQ ID NO:9)の上流のDNA配列を示す。
【図13】MseI DNAメチルトランスフェラーゼ遺伝子の制御された発現に用いられたプラスミドpVR−26及びpVR−27の構築を示す。
【図14】pVR−24発現ベクターの構築を示す。
【図15】MseI制限エンドヌクレアーゼ遺伝子をコードするpVR−25の制限地図を示す。
【図16】T7リゾチーム遺伝子をコードするpCEF−8の制限地図を示す。
【図17】細胞毒性タンパク質をコードする遺伝子をクローニングするためのpVR−25における厳密な調節システムの作用機序を示す。
【図18】大腸菌MseRM4、MseRM5及びMseRM6から作製された細胞粗抽出物におけるMseI制限エンドヌクレアーゼ活性のアッセイを示す。増殖条件は実施例6に記載されている。
【図19】100リットル発酵槽における増殖後の、大腸菌株MseRM4(NEB#1284)から作製された細胞粗抽出物でのMseI制限エンドヌクレアーゼ活性のアッセイを示す。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention, in one embodiment, so that expression corrects changes in the physiological state of the cells and thus preferably provides complete protection against cleavage by a cognate restriction endonuclease at any growth stage, Cloning the restriction modification system of interest, including first carrying out the method to produce a balanced level of protectively modified methyltransferase activity; then introducing a restriction endonuclease and providing its expression. Relates to a method of expression.
[0002]
[Prior art]
Restriction endonucleases belong to a class of enzymes called nucleases that degrade or cleave single- or double-stranded DNA. Restriction endonucleases act by recognizing and binding specific nucleotide sequences (“recognition sequences”) along a DNA molecule. Once bound, the endonuclease cleaves the molecule within or on the recognition sequence. Although the position is fixed for any arbitrary endonuclease, the position of cleavage may differ between the various restriction endonucleases. Different restriction endonucleases have different affinities for recognition sequences. Among the thousands of bacterial and archaeal species examined to date, over 200 restriction endonucleases have been identified that recognize unique specificity.
[0003]
Restriction endonucleases are classified based on their composition and the need for cofactors, the nature of the target sequence, and the location of the DNA cleavage site relative to the target sequence (Yuan, R., Ann. Rev. Biochem., 50: 285 -315, 1981). Currently, three well-characterized restriction endonucleases are known (I, II and III). Type I enzymes recognize specific sequences but cleave randomly with respect to that sequence. Type III restriction endonucleases recognize specific sequences and cleave at defined positions relative to one of the sequences, but never digest completely. Neither of these two enzymes is suitable for practical use. Type II restriction endonucleases recognize specific sequences (4-8 nucleotides in length) and cleave at defined positions within or very close to that sequence. Usually they are Mg 2+ Requires only ions. If type II restriction endonucleases are purified from other bacterial components, they can be used in the laboratory to cleave DNA molecules into specific fragments. This property allows researchers to manipulate the DNA molecule and analyze the resulting structure.
[0004]
Bacteria, at best, tend to process only a few restriction endonucleases. Restriction endonucleases are named by three letter acronyms derived from the name of the organism in which they occur (Smith and Nathans, J. Mol. Biol., 81: 419-423, 1973). The first letter is from the genus and the second and third letters are from the species. Thus, for example, a strain of Deinococcus radiophilus species synthesizes three different type II restriction endonucleases, designated DraI, DraII and DraIII. Each such enzyme recognizes and cleaves the sequences, TTTAAA, PuGGNCCCPy and CACNNNNGTG. On the other hand, the RY13 strain of Escherichia coli synthesized only one type II restriction enzyme, EcoRI, which recognizes the sequence GAATTC (Roberts RJ, and Macelis D., Nucl. Acids Res., 28: 306-7 , 2000).
[0005]
The second component of the bacterial and archaeal restriction system is a modified methylase (Roberts and Halford, in 'Nucleases' 2nd ed., Linn et al., Ed.'S, p. 35-88, 1993). Such enzymes are complementary to restriction endonucleases and provide a means by which bacteria can protect their own DNA and be distinguished from foreign, invading DNA. A modified methylase recognizes and binds to the same recognition sequence as the corresponding restriction endonuclease, but instead of cleaving DNA, chemically adds one or other nucleotides within the sequence by adding a methyl group. Qualify. After methylation, the recognition sequence is no longer cleaved by the restriction endonuclease. By virtue of the activity of the modified methylase, the DNA of the bacterial cell is modified and is therefore not sensitive to the presence of endogenous restriction endonucleases. Only non-modified, and thus distinguishable, foreign DNA is susceptible to restriction endonuclease recognition and cleavage.
[0006]
In nature, type II restriction endonucleases are believed to cleave foreign DNA, such as virus and plasmid DNA, if the DNA has not been modified by appropriate modifying enzymes (Wilson and Murray, Annu. Rev. Genet., 25: 585-627, 1991). In this way, the cells are protected from invasion by foreign DNA. Thus, it is widely believed that the evolution of type II restriction modification systems has been driven by the need for cells to protect themselves from infection by foreign DNA (cellular defense hypothesis).
[0007]
With the advent of genetic engineering techniques, it is now possible to clone genes and produce proteins and enzymes encoded by them in larger quantities than those available with conventional purification techniques. The key to isolating clones of restriction endonuclease genes is to develop a simple and reliable method for identifying such clones in gene libraries. One possible difficulty is the restriction end because the transcription and translation machinery of the source organism is different from that of E. coli, such as differences in promoter or ribosome binding sites or gene codon composition. Some nuclease genes and methylase genes may not be expressed in E. coli. Isolation of a methylase gene requires that the methylase be fully expressed in E. coli and fully protect at least a portion of the plasmid carrying the gene. Isolation of the active form of endonuclease requires that the methylase be fully expressed to fully protect the host DNA or to prevent lethal damage resulting from endonuclease cleavage. Another obstacle to cloning restriction endonucleases is that some E. coli strains react detrimentally to cytosine or adenine modifications; methylated cytosines (Raleigh and Wilson, Proc. Natl. Acad. Sci., USA 83: 9070- 9074, 1986) or methylated adenine (Heitman and Model, J. Bact., 196: 3243-3250; Raleigh et al., Genetics, 122: 279-296, 1989; Waite-Rees, et al., J. Bacteriology , 173: 5207-5219, 1991). Cytosine-specific or adenine-specific methylase genes cannot be easily cloned in such strains, either with themselves or their corresponding endonuclease genes. To circumvent this problem, a mutant strain of E. coli lacking such a system (McrA And McrB Or Mrr ) Is required.
[0008]
Several approaches have been used to clone restriction genes into E. coli:
(1) Selection based on phage restriction
In the first cloned system, bacteriophage infection was used as a means to identify and select restriction endonuclease clones (EcoRII: Kosykh et al., Molec. Gen. Genet., 178: 717-719, 1980). HhaII: Mann et al., Gene 3: 97-112, 1978; PstI: Walder et al., Proc. Nat. Acad. Sci., USA 78: 1503-1507, 1981). The presence of restriction-modification systems in bacteria allows the bacteria to resist bacteriophage infection, so cells carrying cloned restriction-modification genes are in principle selected as survivors from libraries exposed to phage. Isolated. However, this method has been found to have only limited advantages. Specifically, it has been found that cloned restriction-modification genes do not always exhibit sufficient phage resistance to provide selective survival under normal conditions.
[0009]
(2) Selection based on vector modification
A second approach used to clone a growing number of systems involves the selection of active methylase genes (US Pat. No. 5,200,333 and BsuRI: Kiss et al., Nucl. Acid Res., 13: 6403-6421, 1985). Because restriction genes and modification genes are often closely linked, it is often possible to clone both genes simultaneously. This selection does not always result in a complete restriction system, but may instead only obtain the methyltransferase gene (BspRI: Szomolanyi et al., Gene 10: 219-225, 1980; BcnI: Janulaitis et al., Gene 20: 197-204, 1982; BsuRI: Kiss and Baldauf, Gene 21: 111-119, 1983; and MspI: Walder et al., J. Biol. Chem., 258: 1235-1241, 1983. ).
[0010]
(3) Subcloning of natural plasmid
Another cloning method is a transfer system originally characterized as a plasmid for cloning into plasmid-derived E. coli (EcoRVI: Bougueleret et al., Nucl. Acid Res., 12: 3659-3676, 1984; PaeR7I : Gingeras and Brooks, Proc. Natl. Acad. Sci., USA 80: 402-406, 1983; Theriault and Roy, Gene 19: 355-359, 1982; PvuII: Blumenthal et al., J. Bacteriol., 164: 501-509, 1985).
[0011]
(4) Multiple-step cloning
Direct methylase selection methods may fail to obtain methylase (and / or endonuclease) clones due to various obstacles. See, for example, pages 25-32 of Lunnen et al., Gene 74 (1) (1988). One potential obstacle to cloning restriction-modification genes is to attempt to introduce the endonuclease gene into a host that has not been previously protected by modification. When the methylase gene and endonuclease gene are introduced together as a single clone, the methylase must protectively modify the host DNA before the endonuclease has the opportunity to cleave. Thus, sometimes it may be possible to clone genes first, then methylase and then endonuclease (see US Pat. No. 5,320,957).
[0012]
(5) Selection based on induction of SOS reaction that can be induced by DNA damage
Another method for cloning methylase and endonuclease genes is based on a colorimetric assay for DNA damage (see US Pat. No. 5,492,823). When screening for methylase, a sensitive host E. coli strain such as AP1-200 is transformed with the plasmid library. By expression of methylase, McrA + , McrBC + Or Mrr + SOS reaction is induced in E. coli strains. The AP1-200 strain contains lacZ fused to the dinD locus that is temperature sensitive to the Mcr and Mrr systems and is inducible by E. coli damage. Detection of recombinant plasmids encoding methylase or endonuclease is based on induction of lacZ at a limited temperature. Transformants encoding the methylase gene are detected as blue colonies on LB agar plates containing X-gal (Piekarowicz et al., Nucleic Acids Res., 19: 1831-1835, 1991; and Piekarowicz et al. , J. Bacteriology 173: 150-155, 1991). Similarly, the E. coli strain, ER1992, contains a dinD1-lacZ fusion but lacks a methylation-dependent restriction system, McrA, McrBC and Mrr. This system (called the “endo-blue” method) detects endonuclease genes in the absence of cognate methylases when endonucleases damage host cell DNA, including SOS reactions. can do. On LB agar plates supplemented with X-gal, SOS-induced cells form deep blue colonies (Fomenkov et al., Nucleic Acids Res., 22: 2399-2403, 1994, and US Pat. No. 5). , 498, 535).
[0013]
(6) Synonymous inverse PCR based on N-terminal sequence
The modified methyltransferase gene cannot be identified (see US Pat. No. 5,945,288) or the methylase gene can be identified but the open reading frame specifying the restriction endonuclease is not clear Things can happen. In these cases, additional methods for identifying endonuclease genes can be particularly applied when the restriction endonuclease can be purified from the source organism in sufficient quantity and purity. In this method, the endonuclease is purified to substantial homogeneity and the polypeptide is sequenced. The resulting polypeptide sequence can be back-translated into a DNA sequence and synonymous PCR primers designed to amplify a portion of the endonuclease gene from the genomic DNA of the source organism or from a gene library created therefrom. it can. The complete gene DNA sequence can be obtained by Southern blot analysis or by further direct or inverse PCR methods. If a cognate methyltransferase is not obtained or cannot be expressed, the stability and convenience of a restriction endonuclease clone alone is usually severely compromised.
[0014]
Although the above methods may allow the production of specific systems of methyltransferases and restriction endonucleases, the establishment of strains that can still be used for enzyme production is problematic. The difficulty is often with the expression of methyltransferase at a suitable level. This is particularly true with method (6). Stabilize such clones with heterospecific methyltransferases that are not related to the endonuclease in the original host but recognize the same or related sequences and prevent the endonuclease from cleaving the recognition sequence (See US Pat. No. 6,048,731).
[0015]
It can happen that there is no suitable heterospecific methyltransferase available and that the degree of protection afforded to the host by the cognate methyltransferase is inadequate; or clearly obtaining an appropriate level of methyltransferase Although it can occur that such levels are toxic to the cells and result in strains that cannot be stored; or protection is clearly adequate and the protected cells are viable Possible, but may result in a strain that does not express detectable endonuclease by the combination of methyltransferase and endonuclease gene; or protection is clearly appropriate and the combination of methyltransferase and endonuclease gene Detectable by Producing strain expressing endonuclease, but commercially in the production of useful levels of enzyme is likely to be happen not sufficiently suitable.
[0016]
Numerous factors can be postulated that alter the required level of enzyme required to effectively protect the host cell from restriction endonuclease cleavage. Such factors require rapid growth in which there are larger amounts of DNA copies than are present in the cells during the stationary phase of growth; new synthesis of modified methyltransferases is required before new synthesis of restriction endonucleases begins. Recovery from possible dormancy; various starvation, for example, where the level of a required DNA methyltransferase cofactor such as S-adenosylmethionine may change; and DNA damage or other physiology Specific physiological conditions such as physical disturbances. Furthermore, the level of methyltransferase becomes too high, for example by binding to or methylating irrelevant sites related to the cognate site, making it toxic and thus reading the DNA sequence by regulatory or DNA condensed proteins. May interfere. Thus, in order to perpetuate indefinitely, the absolute level of methyltransferase expression may need to be varied depending on conditions over the duration of the culture.
[0017]
This need for a fine level of control is not unique to modified methyltransferases. Within 50 years of research, for example, it degrades nutrients or synthesizes essential components (trp, his), or reacts to harmful factors (DNA damage response, heat shock response), a set of catabolic and anabolic genes (lac A number of detailed adjustment schemes have been described for various functions such as ara, gal). Such regulatory effects are mediated, for example, by changes in promoter activity (due to activator or repressor), transcription stability (due to retroregulatory elements), translational level (weakening or translational linkage). Despite this high level of understanding, it is not easy to predict in advance how the demand for function will change with physiological changes and how to achieve the desired level of function.
[0018]
Because purified restriction endonucleases and, to a lesser extent, modified methylases are useful tools for characterizing genes in the laboratory, bacterial strains that synthesize such enzymes in large quantities via recombinant DNA technology can be used. There is a commercial motivation to obtain. Such strains are useful because they provide a means of manufacturing in commercially useful quantities, as well as simplify the purification operation.
[0019]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention, in one embodiment, so that expression corrects changes in the physiological state of the cells and thus preferably provides complete protection against cleavage by a cognate restriction endonuclease at any growth stage, Cloning the restriction modification system of interest, including first carrying out the method to produce a balanced level of protectively modified methyltransferase activity; then introducing a restriction endonuclease and providing its expression. Relates to a method of expression.
[0020]
The invention further examines specifically the degree of protection during a critical growth phase, which may be selected from stationary phase, logarithmic growth phase, regeneration phase from storage or other growth phase, and then The present invention relates to a method for producing a balanced level of protectively modified methyltransferase activity comprising identifying suitable expression vectors by selecting for function in a critical growth phase.
[0021]
The above method is exemplified by the cloning and expression of the MseI restriction modification system, which is encoded by a DNA (deoxyribonucleic acid) fragment that contains two related enzymes, namely the DNA sequence 5′-TTAA-3 ′. And the enzyme that cleaves the phosphate diester bond between the T residues of this recognition sequence to produce a 5 'extension of 2 bases (Morgan RD, Nucl. Acids Res., 16: 3104, 1988) , MseI restriction endonuclease) and the same DNA sequence, 5′-TTAA-3 ′, but modified by adding a methyl group to prevent cleavage by MseI endonuclease, It encodes a second enzyme known as MseI. Furthermore, the invention is disclosed in M.C. It differs in sequence from MseI and It relates to two additional DNA fragments that perform the same function as MseI, ie, encode an enzyme that modifies the sequence 5′-TTAA-3 ′ by adding a methyl group to prevent cleavage by MseI endonuclease. The present invention also relates to a DNA fragment, a vector containing the DNA fragment, a method for preparing a transformed host containing the DNA fragment, and an improved method for producing an MseI restriction endonuclease from such a transformed host.
[0022]
[Means for solving the problems]
The MseI restriction endonuclease produced in accordance with the present invention is substantially pure and free of contaminants commonly found in restriction endonuclease preparations made by conventional techniques.
[0023]
The MseI methylase gene, but not the MseI endonuclease gene, was obtained according to techniques commonly cited for methylase selection (US Pat. No. 5,200,333, the disclosure of which is incorporated herein by reference). However, none of the clones obtained by methylase selection expressed detectable MseI restriction endonuclease activity and were not completely protected from MseI digestion after overnight incubation. Methylase clones were sequenced and the MseI methylase gene was identified based on homology with other N6-adenine methylases. Although the methylase clone did not produce detectable MseI endonuclease activity, it was speculated that the endonuclease gene appears to be located adjacent to the methylase gene. Therefore, DNA adjacent to the MseI methylase gene from Micrococcus species was amplified by inverse PCR technique and sequenced.
[0024]
In order to locate and reliably identify the MseI endonuclease gene, the N-terminal amino acid sequence of the highly purified MseI restriction endonuclease protein obtained from Micrococcus species was determined. An open reading frame in which the deduced amino acid sequence matched the N-terminal amino acid sequence of the MseI endonuclease was found in the DNA sequence obtained by the inverse PCR technique, and was located 3 ′ of the methylase gene. The MseI methylase gene was amplified and cloned with a vector compatible with a normal high expression vector. The MseI endonuclease gene was then amplified and ligated into an expression vector such as the pET series of vectors and introduced into a host previously modified with MseI methylase carried in another compatible vector; In such a construct, no MseI activity was found. The following further results indicate that this failure of MseI expression was due to inadequate expression of methylase, and successful endonuclease expression was a lethal event. After obtaining a fully modified vector according to the present invention, endonuclease expression was also carefully regulated by constructing a vector that suppressed endonuclease expression during cell growth prior to induction of the endonuclease gene. A host carrying the endonuclease gene and the methylase gene in such a special construct was then grown, induced, recovered and used to make the MseI endonuclease.
[0025]
A preferred method for cloning and expressing the MseI restriction-modification system consists of obtaining a methylase positive clone according to the methylase selection method and determining the DNA sequence of such an MseI methylase positive clone. DNA adjacent to the methylase gene is obtained by inverse PCR technique and sequenced. The MseI endonuclease protein from Micrococcus species is purified to near homogeneity and the N-terminal amino acid sequence is determined. The MseI endonuclease gene is identified based on DNA sequence and amino acid sequence data. The expression of MseI methylase is adjusted to achieve complete protection of the host genome without expressing so much methylase that it is toxic to the host. DNA obtained from cells in rapid logarithmic growth phase is examined for protection against cleavage of the MseI endonuclease and this complete methylation status is determined using a construct that provides complete protection under such rapid growth conditions. To monitor. The complete gene is then amplified from Micrococcus sp. Genomic DNA to limit expression of the MseI endonuclease during cell growth prior to induction such as pVR-24 (New England Biolabs, Beverly, Mass., USA) The MseI endonuclease is expressed by ligating to an expression vector designed as such. Expressed in another compatible plasmid with appropriate genetic composition that provides sufficient regulatory capacity (US patent application Ser. No. 09 / 689,359), providing complete protection against MseI cleavage. The construct is introduced into a host that has previously modified the MseI site by carrying the MseI methylase gene. The MseI endonuclease is produced by growing a host containing the MseI endonuclease gene and the methylase gene, including appropriate expression conditions, harvesting the cells, and then purifying the MseI endonuclease.
[0026]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In one embodiment, the present invention protects DNA from cleavage by a restriction enzyme, preferably in such a manner that complete protection of the host DNA is observed at any growth stage where the cognate restriction endonuclease is present without becoming toxic. The present invention relates to a method for producing a target restriction endonuclease by first providing a vector that expresses a modified methyltransferase gene (a fully protecting methyltransferase vector) and then providing a vector that expresses a desired restriction endonuclease gene. The present invention is not limited by the properties of the modified methyltransferase or the restriction enzyme, except that the modified methyltransferase must protect against cleavage by a restriction enzyme.
[0027]
In a preferred embodiment, complete protection is provided by identifying regulatory elements capable of manipulating methyltransferase expression to provide complete protection during the growth phase that is particularly sensitive to methyltransferase expression patterns. A methyltransferase vector may be obtained. In accordance with the present invention, this may be performed by the following steps:
(1) obtaining a methyltransferase gene in a vector by a known method;
(2) placing a regulatory element such as a promoter in a suitable position with respect to the gene;
(3) transformation in a desired host cell;
(4) re-isolating the vector from the pooled transformants during the exponential growth phase;
(5) selection by digestion with endonuclease; and
(6) Retransformation of new hosts with surviving, undigested and thus protected vector populations.
[0028]
Step (4) of this method is from the exponential growth phase, or from various other growth phases, as appropriate, for example from the stationary phase, from the resting phase activated by starvation of carbon or nitrogen or other essential nutrients, or Even when carried out by pooled vectors isolated from cells in a special physiological state, such as a damaged state of DNA, or from cells in the presence of a cause of physiological injury, such as acidic media or toxic compounds Those skilled in the art will appreciate that it is good.
[0029]
In a preferred embodiment, the regulatory element of step (2) is identified by a method comprising the following steps. That is,
(A) cloning a pool of fragments containing a variety of different regulatory elements at a desired location into a vector containing a methyltransferase gene; and
(B) Continue the steps (3) to (6).
[0030]
It will be further appreciated by those skilled in the art that the selection method including steps (3) to (6) may be repeated to select further improvements.
[0031]
It will be further appreciated by those skilled in the art that step (2a) may be repeated, cloning the pool of fragments containing regulatory elements at the same or different positions, followed by selection as appropriate. .
[0032]
The present invention is not limited by the individuality of the regulatory element which may be a promoter, operator, enhancer or downstream regulatory element.
[0033]
In a preferred embodiment, the methyltransferase in step (1) is isolated by a methylase selection method (US Pat. No. 5,200,333). The present invention is not limited to the methyltransferase gene isolated by this method, but the above method, for example, identification based on phage selection, natural plasmid subcloning, induction of SOS reaction inducible by DNA damage, purified protein Includes genes identified in sequence databases from inverse PCR based on the amino acid sequence of, or similar to the sequence of other methyltransferases, followed by cloning by PCR or Southern blot based on methods (Kong, et al., Nucleic Acids Res., 28: 3216-3223, 2000).
[0034]
In a preferred embodiment, the collection of different regulatory elements in step (2a) is randomly performed by error-prone PCR along with contaminating chromosomal fragments that may be present in the mutagenized fragment preparation. Mutagenized S. cerevisiae Contains a copy of the tyhimurium his promoter. The present invention is not limited to the fragment thus obtained, but is a fragment isolated from genomic DNA of E. coli or another organism, or oligonucleotide synthesis by a random position or a synonymous sequence at a specific position Or collection of fragments generated by random or specific fragment collection recombinant PCR. In a preferred embodiment, the regulatory element thus obtained is the sequence SEQ ID NO: 9.
[0035]
The method according to the present invention may be applied to any methyltransferase that confers protection from cleavage by the relevant restriction endonuclease, not merely which co-occurs with the endonuclease in a particular natural isolate. Will be further understood by those skilled in the art.
[0036]
The present invention further relates to isolating a methyltransferase of the desired specificity from environmental resource DNA rather than first culturing the organism in which it is contained. In a preferred embodiment, such genes are methylase selected from DNA from prokaryotic mixed green filaments and pedestal colonies growing at 68 ° C. in Dixie Valley Hot Spring, Nevada, USA. Isolated by
[0037]
The present invention further relates to the supply of the desired restriction endonuclease gene expressed from the vector with strict regulation so that very low levels of protein are expressed in the absence of induction (accepting very low basic expression). ). In a preferred embodiment, the stringent regulatory vector is an antagonist that reads through a cloned gene of interest as described in WO 99/11821 and US patent application Ser. No. 09 / 486,356. Basic expression by providing a lower copy number than that present in the pre-existing vector pLT7K, which is used for this purpose, but contains vectors with a specific and independently regulatable promoter. It is even lower. In a preferred embodiment, the vector copy number is reduced by exchanging the origin of replication of pLT7K with that of pACYC184. Other origins of replication may also be used; for example, pSC101 (Stoker, et al., Gene 18: 335-341, 1982), pSYX20 (US Pat. No. 5,262,313), F (Shizuya, et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA 89 (18): 8794-8797. 1992) or other low copy number vectors (Harayama, et al., Mol. Gen. Genet., 184: 52- 55, 1981 and Wohlfarth, et al., J. Gen. Microbiol., 134: 433-440, 1988). In a preferred embodiment, the vector is pVR-24.
[0038]
In a preferred embodiment, a strain that expresses a high level of expression of a negative regulator in a direction capable of translating the gene of interest, as described in the accompanying US patent application, Ser. No. 09 / 701,626. By further reducing the basic expression level, it is achieved.
[0039]
The above method is illustrative in another embodiment of the invention, namely cloning and expression of the MseI restriction-modification system.
[0040]
The present invention also provides novel DNA constructs and novel compositions comprising microbial strains that produce the MseI restriction endonuclease. The restriction endonuclease, MseI, of interest in the present invention recognizes the DNA sequence 5′-TTAA-3 ′ and cleaves the phosphodiester bond between the T residues of this recognition sequence to produce 2 bases. 5 'elongation occurs.
[0041]
To overexpress the MseI restriction endonuclease, additional steps are required beyond the known methylase selection method (US Pat. No. 5,200,333), which is particularly toxic to the host. Included is expression of MseI methyltransferase that does not produce large amounts of methyltransferase but is well balanced to fully protect the host genomic DNA from MseI digestion in vivo. The E. coli host is first modified with a vector containing the mseIM gene optimized for expression so that complete protection against MseI endonuclease is observed even during very rapid cell growth (exponential growth phase). The host is then transformed with a suitable vector containing the mseIR gene, such as pVR-25, and colonies containing both vectors are then selected on a suitable antibiotic plate. Individual transformants are grown and identified for MseI endonuclease producing constructs by assaying for MseI endonuclease activity (as in Example 5 below).
[0042]
The method described herein for cloning and expressing the MseI methylase gene and the MseI restriction endonuclease gene preferably in E. coli employs the following steps.
1) Cloning of DNA methyltransferase gene that protects against cleavage by MseI
A DNA-modified methylase recognizes and binds to the same recognition sequence as the corresponding restriction endonuclease, but instead of cleaving the DNA, one or other nucleotides can be chemically altered within the sequence by adding methyl groups. Modification is well known. After this methylation, the recognition sequence is no longer bound by the restriction endonuclease and is not cleaved. The DNA of bacterial cells is always fully modified by its modified methylase and is therefore completely insensitive to the presence of endogenous restriction endonucleases. In this situation, only non-modified and thus identifiable foreign DNA is susceptible to restriction endonuclease recognition and attack. The first step of the method is to identify a DNA methyltransferase gene that protects against cleavage by MseI. To accomplish this, a Micrococcus species DNA methylase (NEB446) can be cloned. Alternatively, as described in US Pat. No. 5,179,015, DNA can be protected from RM systems other than the MseI RM system to prevent digestion by MseI restriction enzymes. DNA methyltransferases that can be identified can be identified. In the present invention, three types of methylase DNA that can protect DNA from digestion by MseI restriction enzyme have been identified.
[0043]
First, total genomic DNA was purified from Micrococcus species (S.coccus) (NEB # 446). A random library of this DNA was constructed by partially digesting the DNA with the frequently-cutting endonuclease, Sau3AI, to generate fragments approximately 1-10 kilobases (kb) in length. Such a fragment was ligated to the vector pBR322, which had been previously cleaved with BamHI and dephosphorylated. The ligation reaction was transformed into chemically competent E. coli ER2502 cells. The transformants were pooled and the plasmid was a population that was purified to form a primary plasmid library. A portion of this purified plasmid was digested with MseI to destroy all plasmids that did not express the MseI methylase gene in vivo and therefore did not protect the plasmid DNA from digestion. E. coli ER2502 was transformed again with the digested plasmid pool and the intact plasmid expressing MseI methylase was recovered. Individual clones were picked and plasmid DNA was purified and exposed to cleavage with MseI endonuclease. The plasmid that was not cut by MseI contained the MseI methyltransferase gene.
[0044]
In a preferred embodiment, the methyltransferase gene protects against the restriction endonuclease MseI available from Micrococcus sp. (NEB # 446), SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: You may choose between a set of sequences that can encode the protein identified in 7. Such proteins may be encoded, for example, by the DNA sequences set forth in SEQ ID NO: 1, SEQ ID NO: 3, and SEQ ID NO: 6.
[0045]
To search for alternative methyltransferase DNA that can protect DNA from cleavage by MseI endonuclease, construct a library of clones derived from DNA sources other than Micrococcus species with vectors containing one or more MseI restriction sites May be. The library of clones is then selected by one or more digestions with MseI to destroy unprotected clones, followed by transformation with a digested plasmid to recover the protected clones. Such libraries include DNA isolated from prokaryotic mixed green filaments and pedestal colonies growing at 68 ° C. in Dixie Valley Hot Spring, Nevada, USA (“DNA from the Environment”). Named). DNA from the purified environment was digested with NsiI endonuclease, ligated to the vector pNEB193 previously cut with PstI restriction endonuclease and dephosphorylated. E. coli ER2683 was transformed with the ligation reaction by electroporation. Transformants were pooled and the plasmid population was purified to create a primary plasmid library. A partial sample of such purified plasmid was completely digested with excess MseI restriction endonuclease and used to transform ER2683. The resulting transformant plasmid was miniprepped and analyzed by digestion with MseI restriction enzyme followed by agar gel electrophoresis. Nine plasmids examined were found to be resistant to digestion of MseI, each encoding one of two different methylase genes that function to protect DNA from cleavage by MseI. There was found. The two methylase genes were named esaDix4IM (SEQ ID NO: 3 and SEQ ID NO: 4) and esaix5IM (SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6). Analysis of crude cell extracts prepared from such clones showed no endonuclease activity. Such methyltransferases or others may be used to protect the host's own DNA, and thus the MseI endonuclease can be successfully expressed.
[0046]
2) Sequencing the entire MseI restriction-modification system
The MseI methylase gene rather than the MseI endonuclease gene is generally obtained based on a technique called methylase selection (US Pat. No. 5,200,333) as in step 1) above. However, none of the clones obtained by methylase selection showed detectable MseI restriction endonuclease activity. One methylase clone was sequenced using an ABI 373 DNA sequencer using conventional techniques. The MseI methylase gene was identified based on amino acid homology to other N6-adenine methylases. Although the methylase clone did not produce any detectable MseI endonuclease activity, it was speculated that the endonuclease gene appears to be located adjacent to the methylase gene. Therefore, the DNA adjacent to the MseI methylase gene obtained from Micrococcus species (NEB # 446) was amplified from the genomic DNA of Micrococcus species by inverse PCR technique and sequenced.
[0047]
To locate and identify the MseI endonuclease gene, the N-terminal amino acid sequence of the highly purified MseI restriction endonuclease protein obtained from Micrococcus species was determined. MseI endonuclease may be purified from Micrococcus species (NEB # 446) as described in Example III below. An open reading frame in which the deduced amino acid sequence coincided with the N-terminal amino acid sequence of MseI endonuclease was found in the DNA sequence located 3 ′ of the methylase gene obtained by the inverse PCR technique.
[0048]
Alternatively, the N-terminus of MseI restriction endonuclease can be used to design a synonymous oligonucleotide primer for PCR amplification of a portion of the MseI endonuclease gene from Micrococcus species (NEB # 446). An amino acid sequence can be used. The resulting DNA sequence can then be used to guide inverse PCR amplification of the DNA on either side of this original portion of the MseI endonuclease gene, and the mseIM and MseI genes in this DNA sequence as described above. Can be identified. Both methods were used to clone and sequence the entire MseI restriction-modification system.
[0049]
3) Subtle optimization of MseI methyltransferase expression
To provide expression once complete genes for MseI endonuclease and MseI methyltransferase have been identified (SEQ ID NO: 7, SEQ ID NO: 8 and SEQ ID NO: 1 and SEQ ID NO: 2, respectively). They may be manipulated by various methods. Using the methylase constructs obtained above, the expression of the MseI restriction endonuclease gene was vigorously controlled under the T7 promoter control using the pET series of vectors (Madison, Wisconsin, USA, Novagen). Attempts were not made to obtain clones producing MseI restriction endonuclease.
[0050]
Introducing a second regulatable promoter before the methylase gene, using a low copy number replicon for the endonuclease gene, and increasing the copy number of the LacI repressor in the host prior to introduction of the endonuclease gene. A unique combination of methods was used to control overexpression of recombinant MseI endonuclease.
[0051]
When the cells were growing rapidly in the exponential growth phase, it was found that the methylase construct obtained by methylase selection did not completely protect the chromosomal DNA of the host E. coli. In order to enhance the expression of methylase so that mseIR is successfully introduced and expressed in cells and thus fully protect the host DNA, the methylase gene is amplified from Micrococcus species DNA and the expression of the constituent promoters at various intensities Below was cloned in the family of vectors (pNK series, see Example IV below). In this attempt, no methylase constructs were obtained for the expression of the two highest levels of promoter, and we believe that this is due to cellular toxicity due to methylase overexpression. A construct with two lower expressed promoters failed to fully protect the host against cleavage by MseI when checked in the exponential growth phase. Random mutagenesis is performed in the promoter region by error-prone PCR in one of the promoter constructs to fully protect the host DNA during rapid growth but to keep methylase expression below the level of toxicity. went. Using the methylase selection technique cited above, mutant clones expressing MseI methylase are selected, then exponentially growing cells are recovered, DNA is purified from such host cells, and MseI cleavage is performed. Individual clones were examined for their ability to fully protect host genomic DNA from MseI cleavage during rapid exponential growth by examining for complete protection of. One of the constructs found to be fully protected against MseI was then used for expression of the MseI endonuclease.
[0052]
This method of modulating methyltransferase expression to achieve complete protection at all stages of host cell growth indicates that endonucleases are difficult or impossible to express in host cells. It may be demonstrated that it is applicable to the other systems shown (see US Pat. Nos. 6,025,179 and 6,048,731).
[0053]
4) Expression of MseI restriction endonuclease under the control of an inducible promoter
In order to optimize the expression of the recombinant MseI of the present invention, inducible or constitutive promoters are well known and may be used to express the mseIR gene at high levels in recombinant hosts. Similarly, known high copy number vectors may be used to achieve high levels of expression. In accordance with the present invention, a particularly preferred method for expression of MseI restriction endonuclease is expression of MseI endonuclease during cell growth prior to induction, such as, for example, pVR-24 (Beverly, Massachusetts, USA). Is an expression vector designed to limit This plasmid contains a fragment encoding the replication function (ori), a chloramphenicol resistance gene (Cm), and a gene encoding kanamycin resistance flanked by suitable restriction endonuclease sites for cloning. The cI857 gene encodes a mutated version of the lambda bacteriophage repressor protein and conditionally binds to the DNA sequence that overlays PL and PR (lamda bacteriophage major left and right promoters, respectively). The lacI gene encodes a repressor protein, LacI, and P T7 Conditionally binds to a DNA sequence (lac operator) that is constructed to overlay (bacteriophage T7 RNA polymerase transcription promoter). Simply put, the antisense promoter is active at high temperatures (42 ° C) in the absence of IPTG, but P T7 Is suppressed by LacI. In the presence of IPTG at 30 ° C, expression is P T7 (See FIGS. 14 and 15). With an intermediate concentration of IPTG at an intermediate temperature, an intermediate level of expression is obtained.
[0054]
In order to obtain stable clones that overexpress the restriction endonuclease, the host is generally pre-protected from restriction endonuclease digestion. In the present invention, MseI cleavage, such as esaDix4IM or esaDix5IM, is expressed by cloning the MseI methylase gene or in another compatible plasmid in a manner that provides complete protection against MseI cleavage. This is accomplished by cloning another methylase gene that protects against. As shown in Example 5 below, when a DNA fragment encoding a novel promoter sequence precedes the MseI methyltransferase gene, the stability of the expression plasmid containing the restriction endonuclease gene construct and / or its mRNA is improved. It turns out that it can be done. The MseI endonuclease is produced by growing a host containing the MseI endonuclease and a protective methylase gene, inducing under appropriate expression conditions, harvesting the cells, and then purifying the MseI endonuclease.
[0055]
The present invention further introduces a gene encoding an MseI restriction endonuclease and a gene encoding a methyltransferase DNA that protects host DNA from cleavage of MseI into a microorganism to grow an organism under conditions suitable for expression of the MseI endonuclease. A method for producing an MseI restriction endonuclease is provided that uses a recombinant DNA modification method to transform the microorganism to recover it and then purify the MseI endonuclease.
[0056]
While the steps outlined above represent preferred embodiments for practicing the present invention, it will be apparent to those skilled in the art that the above approach can be varied according to known techniques.
[0057]
The following examples are given to illustrate embodiments of the present invention because they are preferred in practice. Such embodiments are merely examples, and the present invention is not considered to be limited to them except in the claims of this specification.
[0058]
The references cited above and below are incorporated herein by reference.
[0059]
【Example】
Example 1: Cloning of the MseI methyltransferase gene (mseIM)
Grow Micrococcus species (NEB # 446) overnight in 1 L LB broth medium, harvest cells, and use Qiagen Genome Chip 100 / G Genomic DNA Purification Kit (Cat # 10243) according to manufacturer's instructions. Genomic DNA was isolated. The genomic DNA was partially digested with Sau3AI to produce a 1-10 kb fragment, and 20 μg of this digested genomic DNA was ligated to 3 μg of pBR322 digested with BamHI and dephosphorylated. Escherichia coli strain ER2502 was transformed with the ligation mixture. Approximately 100,000 transformants were obtained. Transformants were pooled and grown in 500 ml LB broth medium containing 100 μg / ml ampicillin and the plasmid population was purified to form the primary plasmid library. 2 μg of this plasmid library was used to transform ER2505 by complete digestion with excess MseI restriction endonuclease. The resulting transformant plasmid was selected for the second selection. Eighty transformants were obtained and 16 of these plasmid DNAs were analyzed by MseI restriction enzyme digestion followed by agar gel electrophoresis. Of the 16 plasmids examined, 14 were found to be resistant to MseI digestion and have the same mseIM gene (SEQ ID NO: 1, SEQ IDNO: 2) on an approximately 1.6 kb Sau3AI fragment. It has been found. Analysis of crude cell extracts prepared from these 14 clones showed no MseI activity.
[0060]
Example 2: Cloning of two methylase DNAs from a DNA sample from an environment protecting the DNA against cleavage by MseI endonuclease
To look for alternative methyltransferase DNA that can protect the DNA from cleavage by MseI endonuclease, a library of clones from a DNA source other than Micrococcus sp. (NEB446) contains one or more MseI restriction sites It may be constructed in a vector. This library of clones was then digested to recover one or more MseI digests to destroy unprotected clones, followed by recovery of protected clones, as in Example I above. Selection as described above by plasmid transformation. Such a library was created from DNA isolated from prokaryotic mixed green filaments and pedestal colony samples growing at 68 ° C. at Dixie Valley, Nevada Hot Springs. 2 μg of DNA was digested with NsiI endonuclease, ligated to 1 μg of vector pNEB193 previously cut with PstI and dephosphorylated. E. coli ER2683 was transformed with the ligation product by electroporation to obtain approximately 1,000,000 transformants. Transformants were pooled and grown in 500 ml LB broth medium containing 100 μg / ml ampicillin and the plasmid population was purified to form the primary plasmid library. 1 μg of this plasmid library was completely digested with excess MseI restriction endonuclease and used to transform ER2683. The resulting transformant plasmid was miniprepped and analyzed by MseI restriction enzyme digestion followed by agar gel electrophoresis. The nine plasmids tested were found to be resistant to MseI digestion and both were found to encode one of two different methylase genes that function to protect the DNA from cleavage by MseI. did. These two methylases were named esaDix4IM and esaDix5IM (SEQ ID NO: 3, SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 5 and SEQ ID NO: 6). Analysis of crude cell extracts prepared from these clones showed no endonuclease activity. These methyltransferases or others may be used to protect the host's own DNA and therefore can successfully express the MseI endonuclease.
[0061]
Example 3: Identification and sequencing of MseI restriction endonuclease gene using N-terminal amino acid sequence and DNA sequence adjacent to MseI methylase obtained by inverse PCR method
(A) Purification of MseI restriction endonuclease derived from Micrococcus species to near homogeneity
Cells of Micrococcus species (NEB # 446) were grown in LB medium at 30 ° C. After 20 hours of growth, the cells were collected by centrifugation and stored at -70 ° C until use. All of the procedures were performed on ice or at 4 ° C. MseI endonuclease was purified according to the same scheme as Example VI. Approximately 10,000 units of MseI activity were purified to near homogeneity. 16 μl of the peak fraction was loaded on an SDS-PAGE protein gel and subjected to electrophoresis. The gel was stained with Coomassie Blue R250, and a remarkable band of about 21 kD corresponding to MseI restriction endonuclease activity was observed.
[0062]
(B) Amino terminal sequence of MseI protein
Electrophoresed MseI restriction endonuclease prepared as described and modified as previously described according to the method of Matsudaira (Matsudaira, P., J. Biol. Chem., 262: 10035-10038, 1987) And then electrically blotted (Looney, et al., Gene 80: 193-208, 1989). The membrane was stained with Coomassie Blue R-250, a protein band of approximately 21 kd was excised, and subjected to continuous degradation using a model 407A gas phase protein sequencer from PerkinElmer (Foster City, Calif., USA). (Waite-Rees, et al., J. Bacteriol., 173: 5207-5219, 1991). The first 25 residues of the 21 kD protein are (Met) -Thr-His-Glu-Pro-Thr-Asp-Asp-Pro-Asp-Phe-Ile-Val-Met-Ala-Ala-Ser-Ala-Xxx- It corresponded to Asn-Leu-Ala-Asp-Xxx-Tyr (SEQ ID NO: 10). Using this data, the endonuclease gene was identified by comparison with the amino acid sequence deduced from the DNA sequence adjacent to the methylase gene.
[0063]
(C) Determination of the DNA sequence adjacent to the mseIM methylase
Template preparation for inverse PCR amplification: 1 μg of Micrococcus species (NEB # 446) DNA in 10 × HaeII restriction endonuclease for 1 hour at 37 ° C. in 1 × NEB buffer # 4 in 50 μl reaction volume Digested. The HaeII enzyme was heat inactivated by incubating at 75 ° C. for 20 minutes. 50 μl of 10 × T4 DNA ligase buffer and 400 μl of dH 2 Oe followed by 5 μl (2000 NEB units) of T4 DNA ligase (NEB # 202) was incubated at 16 ° C. for 16 hours to circulate the HaeII digested DNA. Next, a part of this cyclization ligation product was used as a template for the subsequent inverse PCR reaction.
[0064]
Primers MseI-IP1 and MseI-IP2 having the sequences shown below were synthesized. These primers are hybridized with the MseI endonuclease and oriented in opposite directions with respect to each other.
[0065]
Primer MseI-IP1
5'-CTTCTGCAGCCGATTTTCATAGTGAGGC-3 '
(SEQ ID NO: 11)
Primer MseI-IP2
5′-GTTCTGCAGATCCGGATCATCCGTGCGG-3 ′
(SEQ ID NO: 12)
[0066]
For reactions that succeeded in amplifying the product, a reaction mix was made by combining:
10 μl of 10 × Vent® reaction buffer
6 μl of 4 mM dNTP solution
5 μl of 10 μM concentration primer MseI-IP1
5 μl of 10 μM concentration primer MseI-IP2
3 μl of 100 mM MgSO 4 (Final concentration of Mg ++ 5 mM)
12.5 μl of circularized DNA template (approximately 25 ng)
58 μl dH 2 O
2 μl (4 units) of Bent® exo-polymerase NEB # 257
[0067]
PCR amplification conditions are: 1 cycle at 95 ° C for 3 minutes, followed by 4 cycles of 95 ° C for 30 seconds, 52 ° C for 30 seconds and 72 ° C for 1.5 minutes, followed by 95 ° C There were 20 cycles of 30 seconds at 62 ° C. for 30 seconds and 72 ° C. for 1.5 minutes. 10 μl of the PCR reaction was analyzed by electrophoresis on a 0.8% agar gel.
[0068]
An approximately 1350 base pair product was observed in the HaeII circular template PCR reaction. The product was purified on a gel and suspended in 25 μl of DNA (1 × TE) buffer. The PCR product was then sequenced by an ABI373 automated sequencing system according to the manufacturer's instructions using the PCR primers described above as sequencing primers. Furthermore, the MseI endonuclease region was amplified by PCR in the same reaction with the following primers, and the PCR product was sequenced.
[0069]
Primer MseI-IP3
5'-GGTTCTGCAGGTTAAGGAGGTTTAACATATACCCCACGAACCGACGGATG-3 '
(SEQ ID NO: 13)
Primer MseI-IP4
5'-GTTGGATCCGTCGACGCTTCTCCGCGTACCCAGCG-3 '
(SEQ ID NO: 14)
[0070]
The MseI endonuclease gene is identified by comparing amino acid sequence data obtained from the N-terminal amino acid sequence of the MseI endonuclease with the amino acid translation of the DNA sequence adjacent to the MseI methylase gene. An open reading frame is found that is oriented in the same direction as the MseI methylase and overlaps the methylase gene with 7 amino acid residues, in which the first 25 amino acids encoding the DNA sequence are derived from the MseI endonuclease protein. It was consistent with the determined amino acid sequence.
[0071]
The inserts with MseI methylase gene and restriction endonuclease gene were sequenced using GPS®-1 from the genome priming system (New England Biolabs, Massachusetts, USA). GPS (registered trademark) -1 contains Tn7 modified with the kptamine-resistant nptII gene, and is a member of the MseI methylase gene according to the manufacturer's instructions (New England Biolabs, Beverly, Mass., USA). Inserts were made in vitro in pVR-18 and pNEB193 containing parts. These insertions were then made using the ABI 373 automatic sequencing system using primers included in the GPS®-1 kit (primer S and primer N for the left and right ends of the transprimer, respectively) according to the manufacturer's instructions. The product sequence was determined.
[0072]
Example 4: Optimization of MseIM expression
(1) Placing the MseI methylase gene under another strength of the constituent promoter
To achieve a range of constitutive expression of MseI methylase, a related family of pNK vectors (provided by N. Keckner) containing different strength constitutive promoters was utilized. Such a plasmid contains either a WT or mutant pHis promoter upstream of the BamHI site and is a derivative of the RS415 plasmid (Simons, et al., Gene, 53: 85-96, 1987). Names and promoter strengths are as follows:
[0073]
[Table 1]
Figure 0004825383
[0074]
The plasmid was digested with BamHI, MunI and BanII, and the backbone of the vector containing the constitutive promoter was gel-purified (to assist gel purification of the vector backbone by removing plasmid fragments of similar size. Including digestion).
[0075]
To prepare the MseI methylase gene for insertion downstream of the above-described constitutive promoter, Vent® DNA polymerase, 1 × Thermopol buffer, 4 mM MgSO 4 80 ng pVR19 plasmid (R. Vaisvila) containing the MseI methylase gene as template in a 100 μl PCR reaction, and 5′-GAACC introduced upstream of the BamHI site for the methylase gene GGATCC GACCCTGAGTGAGAACATGCCC-3 ′ (SEQ ID NO: 15) primer and 5′-AGGTCG introduced downstream of the MfeI site CAATTG PCR was performed using CCAGGGGGTCCTTCTCCGCGTAC-3 ′ (SEQ ID NO: 16) primer. 25 cycles of 95 ° C. for 10 seconds, 60 ° C. for 60 seconds and 72 ° C. for 75 seconds were performed. The resulting 1019 base pair PCR product was purified using the Chiaquick PCR purification protocol, digested sequentially with BamHI and MunI, and purified once more using the Chiaquick PCR purification protocol.
[0076]
All four BamHI-MunI vector backbones were ligated with the MseI methylase gene, transformed into ER2688 cells, and Luria-Bertani (1 gram glucose and 1 gram MgCl per liter). 2 (Hereinafter referred to as complementary LB). However, attempts to place the MseI methylase under the two highest levels of expression failed, presumably because of instability resulting from high levels of methylation in the cells. The constructs containing two lower levels of expression, pNKR1707MseIm and pNKR2213MseIm, were restricted by MseI of plasmid DNA purified from such cells (1 μg plasmid DNA in 50 μl volume, 20 units MseI for 1 hour at 37 ° C. Complete methylation of cellular DNA did not occur, as judged by sensitivity to).
[0077]
(2) Construction of a library of constituent promoters that were randomly mutagenized by error-prone PCR
In order to find an intermediate level promoter construct for MseI methylase between pNKR2213MseIm and clearly unstable pNKR1786MseIm, the constituent promoter regions were subjected to random PCR mutagenesis and selection. In the mutagenesis protocol, high levels of Taq DNA polymerase (5 units per 100 μl reaction volume), heterogeneous dNTP pool (1.2 mM dCTP and TTP; 0.2 mM dATP and dGTP), high levels of MgCl 2 (7 mM), The presence of MnCl2 (0.5 mM), 2 ng pNKR1707 MseIm per 100 μl volume and a high cycle number (35) PCR were employed. Primers adjacent to the MseI methylase at the AgeI and BamHI restriction sites are 5′-GCGATACAGACCGGTTCAGAGGATAAAG-3 ′ (SEQ ID NO: 17) and 5′-GGTCGGATCCGGCGATACAGCGAG-3 ′ (SEQ ID NO: 18), respectively.
[0078]
After PCR, the pNKRMseIm construct with the AgeI-BamHI restriction site was cleaved off the promoter copy mutated with AgeI and BamHI, purified by gel with Qiagen gel purification kit, and purified by removing its endogenous component promoter. Connected. After electroporation into ER2688 competent cells, 20,000 colonies were obtained. Such colonies were pooled and the plasmid was purified using the Qiagen purification protocol. This constructed a library of constitutive promoters that were randomly mutagenized upstream of the MseI methylase gene.
[0079]
(3) Selection of clones that yield plasmids resistant to MseI restriction digestion
To select a plasmid that processes a mutated constitutive promoter that produces a stable, high level of methylation, expose 5 μg of the plasmid library to MseI restriction (5 μg of DNA, 50 units of MseI) at 37 ° C. for 4 hours. Followed by a 20 minute incubation at 65 ° C. to inactivate the MseI restriction endonuclease. A portion (250 ng) of the exposed pool was transformed with ER2688 calcium-competent cells, plated on complemented LB agar plates and grown overnight at 37 ° C. This produced 63 colonies.
[0080]
Six out of 63 colonies were randomly selected and further individual experiments were performed; after overnight growth in 10 ml of supplemented LB medium, using Qiagen's Qia-prep spin miniprep protocol. Plasmid DNA was purified. When 100 ng of purified plasmid DNA was exposed to 20 units of MseI at 37 ° C. for 30 minutes, all six were completely restricted, indicating an inappropriate level of methylation.
[0081]
The remaining 57 colonies were pooled and plasmid purified using Qiagen's plasmid purification protocol. From this pool of plasmids, 50 ng was subjected to a longer (overnight) 50 units of MseI exposure followed by a 20 minute incubation at 65 ° C. to inactivate the MseI restriction endonuclease. A portion (4 ng) of the exposed pool was transformed with ER2688 calcium-competent cells, plated on complemented LB agar plates and grown overnight at 37 ° C. This produced 13 colonies.
[0082]
Nine out of 13 colonies were randomly selected and further individual experiments were performed; after overnight growth and purification of the plasmid as previously described, 1 μg of plasmid DNA was 50 units in a 50 μl reaction volume. Incubation with MseI at 37 ° C. overnight revealed that 7 out of 9 were completely methylated.
[0083]
To further verify the level of methylation present in the cells, 7 colonies were recovered for plasmid purification during the logarithmic growth phase of the culture (overnight cultures were made 1: 100 in fresh supplemented LB growth medium. After 4 hours of dilution, the cells were collected at 37 ° C.). Such cells are expected to replicate DNA at a rate such that methylation by the expressed MseI methylase cannot achieve full methylation. Plasmid DNA was purified from such logarithmically growing cultures using Qiagen's Qia-prep purification protocol, and 0.5 μg of this plasmid DNA was incubated with 50 units of MseI overnight at 37 ° C. did. Using this more difficult standard for methylation, 3 out of 7 colonies were fully protected (methylated) and resistant to restriction cleavage.
[0084]
Three clones (# 4, # 9 and # 10) producing stable and complete levels of MseI methylation were mapped by AgeI and BamHI and using primers with an annealing site upstream of the promoter region And had a promoter region that was examined by sequencing (5'-GGATCTTCCAGGTGTGCATGAACG-3 '(SEQ ID NO: 19)). Two of the three clones (# 9 and # 10) are identical; therefore, the two-step selection process described results in two separate promoters that result in a stable, complete level of MseI methylation. Was found.
[0085]
Unexpectedly, both promoters # 4 and # 9 / # 10 were not mutagenized constitutive promoters as experimentally designed, but instead were contaminated with low levels of E. coli DNA present in the plasmid preparation. It was the AgeI-BamHI E. coli sequence that must have originated.
[0086]
The # 4 promoter appears to be approximately 1000 base pairs in length according to the AgeI / BamHI mapping, and according to sequencing, the first 438 base pairs are E. coli K-12MG1655 segment 349 (deposited accession number). AE000459) and base numbers 7813-8251. Upon examination of the sequence data, a BamHI site was found at base number 8814, resulting in a 1002 base pair AgeI-BamHI E. coli fragment. This E. coli sequence contains the 5 ′ end of yigW_2orf and two predicted promoters, one of which is oriented in the same direction as the MseI methylase (8672-8704th).
[0087]
The mapping of the # 9 / # 10 promoter appears to be approximately 420 base pairs in length by AgeI / BamHI; according to sequencing, the promoter is located in E. coli K-12MG1655, section 41 (deposited accession number, AE000151). ) Base numbers 2511 to 2998. This determined the 488 base pair AgeI-BamHI E. coli fragment, which contains two predicted promoters oriented in the same direction as the MseI methylase at the 5 ′ end of cof orf and base numbers 2605-2632 and 2714-2742. contains. Further investigation was performed using this # 9 / # 10 sequence.
[0088]
(4) Further optimization of MseI methylase expression
Using the above strategy, expression levels of MseI methyltransferase that allowed expression of MseI endonuclease in plasmid pVR-25 were achieved. Unexpectedly, when transformed and propagated for the first time, ER2566 host cells with MseI methylase (# 9 above) and MseI endonuclease optimized in plasmid pVR-25 expressed MseI endonuclease. When this construct was stored in glycerol at -70 ° C, MseI was not stably maintained.
[0089]
The MseI methylase construct was further modified to achieve greater modification of the host MseI. As noted above, attempts to place the MseI methylase under the highest two levels of constitutive expression failed, probably due to instability resulting from high levels of methylation in the cell. In order to achieve maximally acceptable levels of methylation, a new M.P. An MseI expression plasmid, pVR-26, was constructed. PVR-26 was constructed by inserting a second promoter derived from that described in (3) above (see Table 2). M.M. A 1.244-kb DNA fragment containing a region encoding MseI (mseIM gene) and an upstream promoter from plasmid pNKR1707mseIM-9 (digested with PmeI and MfeI), and cleaved with EcoRI and HincII P in pNEB193 (New England Biolabs, Massachusetts, USA) lacUV5 This was done by inserting just downstream of the promoter. Another MseI methylase construct, pVR27 is P lacUV5 It was generated by deleting the 0.379-kb PmeI-AflIII fragment containing the promoter and the lacI operator from pVR26. Stable expression of the MseI endonuclease was obtained with the pVR-26mseIM methylase expression vector.
[0090]
[Table 2]
Figure 0004825383
[0091]
Example 5: Optimization of MseI restriction endonuclease expression
(1) Construction of expression vector
As is well known in the art, restriction endonucleases are cytotoxic proteins. In many cases, attempts to clone toxic genes into plasmids designed to facilitate high expression are extremely difficult. One particularly preferred plasmid for expressing cytotoxic genes is pLT7K (Kong, et al., Nucl. Acids Res., 28: 3216-3222, 2000). This plasmid contains a fragment encoding the replication function (ori), a gene encoding β-lactamase, and a gene encoding kanamycin resistance flanking a restriction endonuclease suitable for cloning. The cI857 gene is a variant derived from a lambda bacteriophage repressor protein that conditionally binds to a DNA sequence (CI operator) that overlays PL and PR (the major left and right promoters of lambda bacteriophage, respectively). Code. The lacI gene encodes the repressor protein LacI, which conditionally binds to a DNA sequence (lac operator) constructed to overlay PT7 (the bacteriophage T7 RNA polymerase transcription promoter). Simply put, at high temperatures (42 ° C) without IPTG, the antisense promoter is active and P T7 Is suppressed by LacI. At 30 ° C with IPTG, expression is P T7 Arise from.
[0092]
In order to adapt pLT7K for overexpression of the MseI restriction endonuclease gene, an NdeI restriction endonuclease site and a ribosome binding site were introduced. In addition, the colEI replicon was changed to a p15A replicon and the number of copies was reduced to 1/3 (from about 50 to about 15). To achieve this, pLT7K was digested with AclI and BamHI. The resulting 1.2-kb fragment containing cI857, lambda PL, Kn resistance gene and T7 promoter was isolated from the agar gel using the Qiagen Qiaquick Gel Purification Kit (Cat. It was ligated to the pACYC184-T7terΔPshAI vector digested with BamHI. pACYC184-T7terΔPshAI is a PshAI deletion derivative of pACYC184-T7ter. This construct was named pVR-24 (FIG. 14).
[0093]
Positive direction (5'-AGACTCCCC CATATG The open reading frame (ORF) for the mseIR gene was amplified by PCR with a set of primers of ACCCACGAACCGACGGATG-3 ') (SEQ ID NO: 20) and reverse direction (5'-GGGGTGCCCCTAGTAGATTTAGTAGGACCGGGG-3') (SEQ ID NO: 21). . The underlined base indicates the position of the NdeI cleavage site of the forward primer. PCR was performed using 500 ng of Micrococcus species (NEB # 446) chromosomal DNA and primers as a template in a Bent® DNA polymerase, 1 × Thermopol buffer, 100 μl PCR reaction. A cycle consisting of 95 ° C. for 15 seconds, 68 ° C. for 60 seconds, and 72 ° C. for 45 seconds was performed 25 times. The resulting 700 base pair PCR product was purified using the Chiaquick PCR purification protocol, treated with Klenow enzyme, digested with NdeI, and purified once more using the Kiaquick PCR purification protocol.
[0094]
The resulting 700 base pair NdeI-blunt end fragment containing the MseI restriction endonuclease gene was ligated to the pVR-24 vector digested with NdeI and StuI and previously modified with the MseI methylase gene construct, pNKR1707 MseIm-9. ER2502 cells were transformed with the ligation. Of the 18 transformants analyzed, 3 contained the mseIR gene. After sequencing the DNA insert containing the MseI restriction endonuclease gene, one recombinant plasmid, pVR-25, was selected to produce the MseI restriction endonuclease.
[0095]
(2) Stock construction
To increase the LacI repressor copy number in the host, strain ER2833 (T7lacIq strain) was constructed as described in US patent application Ser. No. 09 / 689,359.
[0096]
(3) Optimization of MseI restriction endonuclease overexpression in E. coli in combination with another host and a plasmid expressing MseI methylase at different levels. To optimize the overexpression of MseI restriction endonuclease in E. coli, these MseI The expression strain, ER2566 / pCEF-8, was pre-protected from autolysis of MseI endonuclease by having one of the methylase-expressing plasmids (pNKR1707MseIm-9, pCR-26 and pVR-27). Was imported. ER2566 / pCEF-8 is an inducible lac promoter and a pSYX20-based plasmid characterized by low levels of T7 lysozyme and natural inhibition of T7 RNA polymerase, under the control of pCEF-8, the gene for T7 RNA polymerase. A host strain containing a chromosomal copy. For more information, see Moffatt, B. et al. A. And Studio, F .; W. See "T7 lysozyme inhibits transcription by T7 RNA polymerase" (Cell, 49: 221-227, 1987). In uninduced cells, lysozyme reduces the basic activity of T7 RNA polymerase and increases the range of target genes that can be stably maintained in the expression host. Furthermore, another expression strain, ER2833 / pCEF-8, having one copy of the lacIq gene on the F ′ episome was used.
[0097]
Overall, 6 strains were used to study MseI restriction endonuclease expression in E. coli (Table 2). All strains contain the pVR-25 plasmid expressing the MseI restriction endonuclease and the pCEF-8 plasmid encoding the T7 bacteriophage lysozyme gene. In order to select for high yields of MseI restriction endonuclease, transformed host cells were grown using various growth conditions. The preferred medium for optimization experiments is Luria-Bertani (1 gram glucose and 1 gram MgCl per liter). 2 (Hereinafter referred to as supplemental LB).
[0098]
Growth conditions were as follows.
MseRM1 : Cells from individual colonies were grown in 0.5 liter LB medium at 42 ° C. for 8 hours, after which IPTG was added at a final concentration of 0.2 mM to induce T7 RNA polymerase and one at 30 ° C. Cells were grown overnight (15 hours). Antibiotics were added as needed: 30 μg / ml kanamycin, 100 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol. Finally, those cultured by centrifugation were collected and frozen at -20 ° C.
[0099]
MseRM3 For each experiment, cells from individual colonies were grown overnight (17 hours) in 0.5 liter LB medium at 30 ° C., after which IPTG was added at a final concentration of 0.2 mM to add T7 RNA polymerase. Induction and cells were allowed to grow for 4 hours. Antibiotics were added as needed: 30 μg / ml kanamycin, 100 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol. Finally, those cultured by centrifugation were collected and frozen at -20 ° C.
[0100]
MseRM4, MseRM5 and MseRM6 : The bacterial culture was kept as a cryopreservation solution at −70 ° C. in 50% glycerol. The culture used for seeding was streaked on LB plates containing appropriate antibiotics to obtain a single colony. Individual colonies are resuspended in 1 ml LB medium and seeded in 1000-ml flasks containing 500 ml LB medium supplemented with 30 μg / ml kanamycin, 100 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol. did. Cells were grown overnight (16 hours) at 37 ° C. and 250 rpm in a shaker incubator. Thereafter, IPTG was added at a final concentration of 0.2 mM. The cells were further cultured for 4 hours, and then the cells were collected by centrifuging at 8,000 rpm for 5 minutes at 4 ° C. and frozen at −20 ° C.
[0101]
Two preferred restriction endonuclease assays were used to identify high level expression clones.
Ultrasonic fracturing method The induced cells (500 ml) were collected and resuspended in 20 ml of ultrasonic disruption buffer containing 10 mM Tris HCl (pH 7.5) and 1 mM EDTA. Cells were sonicated by four 30 second impacts with a macro-chip probe on ice. A portion of the crude extract was added to lambda DNA (1 μl) in NEB buffer 2 buffer (50 μl) and incubated at 37 ° C. for 1 hour. DNA was fractionated by 0.8% gel electrophoresis and visualized by EtBr staining.
[0102]
Express method Overnight, collect 1 ml of culture or induction culture (10-500 ml) and resuspend in 0.2 ml buffer containing 50 mM Tris HCl, pH 7.5 and 25% (volume / volume) sucrose. And mixed until the solution was homogeneous. 11 μl of 200 mM EDTA (pH 8.0) and freshly prepared 10 mg / ml lysozyme in 0.25 M Tris HCl (pH 8.0) were added to the 200 μl solution and incubated on ice for 5 minutes. 11.5 μl of 1M MgCl 2 And 24.2 μl of 5% (volume / volume) Brij-58 was added. The solution was mixed gently and incubated at room temperature for 15 minutes. After incubation, the crude cell lysate was centrifuged at 4 ° C. for 15 minutes at the maximum speed of the microcentrifuge. The supernatant was pipetted into a new Eppendorf tube and stored on ice until needed. Lambda DNA substrate (1.0 μg) was digested by serial dilution of the cell extract in MseI reaction buffer (NEB buffer 2) for 1 hour at 37 ° C. DNA was fractionated by electrophoresis and visualized by EtBr staining. Activity was determined by the presence of an appropriately sized band associated with MseI digestion of lambda DNA.
[0103]
The results for optimization of MseI restriction endonuclease expression are summarized in Table 3.
[0104]
Different yields of MseI restriction endonuclease (0.08-0.5x10 depending on the MseRM1 strain) 6 Wet weight of U / g cells) was obtained. Cells increased slowly and the lag time was otherwise long.
[0105]
To enhance the stability and reproducibility of the lac-based recombinant expression system, lacI on the F ′ episome q A new host strain ER2833 with one copy of the gene was constructed (US patent application, Ser. No. 09 / 689,359). In fact, lacI q The stability of expression and plasmid maintenance in the host (MseRM3) was significantly enhanced: the yield of MseI restriction endonuclease was 0.5-1.4 × 10 6 It was the wet weight of U / g cells. The MseI restriction endonuclease purified from this strain (see Example 4) was substantially free of non-specific endonuclease and exonuclease, and the final yield was about 150,000 U / g. . It was about 100 times more than that obtained from the original Micrococcus species (NEB # 446).
[0106]
[Table 3]
Figure 0004825383
[0107]
Unfortunately, the MseRM3 strain did not show MseI restriction endonuclease activity after storage and recovery at -70 ° C. In order to solve this problem, the expression level of MseI methylase was increased by constructing pVR-26 and pVR-27 (Example 4 above). Such strains (MseRM4, MseRM5 and MseRM6) gave high MseI restriction endonuclease yields even after storage at −70 ° C., and MseRM4 (NEB # 1284; New England Biolabs, Massachusetts, USA). Was used for scale-up in a 100 liter production fermentor (see Example 4). The yield of MseI restriction endonuclease in this large scale fermentation is 0.5 × 10 6 per wet cell weight. 6 U / g.
[0108]
Example 6: Production of recombinant MseI restriction endonuclease
MseI restriction enzyme was produced from recombinant E. coli strain NEB # 1284 grown in the late logarithmic growth phase in a 100 liter fermentor. A sample of this cell was deposited with the ATCC on August 28, 2000 under the terms and conditions of the Budapest Agreement and received “ATCC Accession Number PTA-2421”.
[0109]
(A) Cell proliferation
The transformed E. coli host, NEB # 1284, containing the recombinant MseI restriction endonuclease was stored as a cryopreservation solution in 50% glycerol at -70 ° C. The culture used for seeding was streaked on LB agar plates containing ampicillin (100 μg / ml), chloramphenicol (30 μg / ml) and kanamycin (50 μg / ml) and overnight at 37 ° C. Incubation yielded a single colony. Several colonies were used to inoculate 10 ml LB medium supplemented with 30 μg / ml kanamycin, 100 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol. Cells were grown for 3 hours in a shaking incubator at 37 ° C., 250 rpm, and then for an additional 3.5 hours at 30 ° C. (to avoid overgrowth of the culture). The final corrected klet for this culture was 122 or mid log phase. This culture was used to inoculate 100 liters of LB supplemented with 30 μg / ml kanamycin, 100 μg / ml ampicillin and 30 μg / ml chloramphenicol. Fermentation was carried out for 18 hours at 30 ° C. with 2 SCFM aeration (standard cubic feet per minute) and a stirring speed of 200 rpm. The final corrected cullet was 313. From this fermentation, 331 grams of cells (wet weight) were collected by continuous flow centrifugation and stored at -70 ° C. A crude extract was prepared from 1 g of cells and the enzyme activity was estimated using the method described above (see Example 5). The yield of MseI restriction endonuclease in the crude extract is 500,000 # U / g, which is about 100 times higher than the crude extract of Micrococcus species (NEB # 446).
[0110]
(B) Purification of MseI restriction endonuclease from NEB # 1284
The following steps were all performed either on ice or at 4 ° C. Suspend 330 grams of cells in 990 ml Buffer A (0.15 M NaCl, 10 mM Tris HCl, pH 7.5, 10 mM BME, 1 mM EDTA and 5% (volume / volume) glycerol). 56 O.D. D. Until crushing 4 times with psig12K. 1150 ml of the supernatant was PEG precipitated by adding PEG 6000 at 7.5% and NaCl at 0.5 M and then incubated at 4 ° C. for 50 minutes. The PEG slurry was centrifuged at 4K for 30 minutes at 12K. 580 ml of the supernatant was diluted to 0.1 M NaCl with Buffer A without NaCl and applied to a 430 ml Heparin Hyper D column equilibrated with Buffer A. The column was washed with 1200 ml Buffer A and then a linear gradient of 4000 ml 0.1 M NaCl to 1.0 M NaCl was applied. Restriction enzyme activity eluted at 0.25 M to 0.35 M NaCl and was pooled. The heparin hyper D pool was diluted to 0.1 M NaCl with buffer A without NaCl and applied to an 88 ml PEI column equilibrated with buffer A. The column was washed with 100 ml of buffer A and a linear gradient of 1000 ml of 0.1M to 1.7M NaCl was applied. Restriction enzyme activity elutes at 0.7-0.9 M NaCl, buffer C (50 mM NaCl, 15 mM Tris pH 7.5, 10 mM BME, 0.1 mM EDTA and 5% (volume / volume). Dialyzed overnight against glycerol) and applied to a 20 ml source Q column equilibrated with buffer C. The column was washed with 40 ml of Buffer C and a linear gradient of 400 ml 0.05 M NaCl to 1.0 M NaCl was applied. Restriction enzyme activity eluted at 0.25 M to 0.35 M NaCl and was pooled. The source Q pool is dialyzed against buffer D (10 mM KPO4, pH 7.0, 0.075 M NaCl, 10 mM BME, 0.1 mM EDTA, and 5% (volume / volume) glycerol) and buffered. The solution was applied to a 20 ml heparin TSK column equilibrated with liquid D. The column was washed with 40 ml Buffer D and a linear gradient of 0.075 M to 1.0 M NaCl in 400 ml Buffer D was applied. Restriction enzyme activity eluted at 0.3-0.4 M NaCl and was pooled. BSA was added at a final concentration of 100 μg / ml. Pooled against storage buffer (20 mM Tris HCl, pH 7.5, 0.1 M EDTA, 1 mM DTT, 50 mM NaCl, 50% (volume / volume) glycerol, 200 μg / ml BSA) And dialyzed overnight. This purification method yielded 26,000,000 units of MseI restriction endonuclease. The MseI restriction endonuclease obtained from this purification was substantially free of non-specific endonucleases and exonucleases.
[0111]
The purity of the MseI restriction endonuclease preparation was checked by looking at the following criteria.
[0112]
1. Ligation: After 5-fold overdigestion of lambda DNA, more than 95% of the resulting DNA fragments were ligated with T4 DNA ligase (1-2 μM 5 ′ end concentration at 16 ° C.). Of this ligated fragment, 95% was re-cleavable.
[0113]
2. Continuous digestion: After incubation of 50 μl reaction containing 1 μg of lambda and 100 units of enzyme for 16 hours, the same band pattern of DNA bands was generated as a reaction performed for 1 hour with 1 unit of enzyme.
[0114]
3. Exonuclease activity: Less than 0.4% of radioactivity released after incubation of 100 units of enzyme for 4 hours at 37 ° C. in a 50 μl reaction containing 1 μg of sonicated 3H DNA (105 cpm / μg) It was done.
[0115]
All tests were performed with the following reaction buffer: NEB buffer 2 (50 mM NaCl, 10 mM MgCl 2 10 mM Tris HCl, 1 mM DTT, pH 7.9 at 25 ° C., supplemented with 100 μg / ml BSA). Unit determination: Lambda DNA substrate (1.0 μg) was digested with serially diluted MseI endonuclease for 1 hour at 37 ° C. in 50 μl of 1 × MseI reaction buffer (NEB buffer 2). DNA was fractionated by electrophoresis and visualized by EtdBr. Activity was determined by the presence of an appropriately sized band related to MseI digestion of lambda DNA. One unit of restriction endonuclease activity is defined as the amount required to completely digest 1 μg of substrate DNA in a total reaction volume of 50 μl in 1 hour using the specified NEB buffer.
[0116]
[Sequence Listing]
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[Brief description of the drawings]
FIG. 1 shows a restriction map of the recombinant plasmid pVR18 encoding the MseI DNA methyltransferase gene.
FIG. 2 shows a restriction map of the recombinant plasmid pEsaDix4I encoding the putative DNA methyltransferase gene.
FIG. 3 shows a restriction map of the recombinant plasmid pEsaDix5I encoding the putative DNA methyltransferase gene.
FIG. 4 shows an agar gel analysis of the sensitivity of the pEsaDix4I plasmid encoding the putative DNA methyltransferase gene to MseI. Lane 1, uncleaved pEsaDix4I; lane 2, pEsaDix4I after overnight incubation with 10 units of MseI; lane 3, uncleaved pUC19; lane 4, pUC19 after overnight incubation with 10 units of MseI; Lane 4, pEsaDix4I + pUC19 after overnight incubation with 10 units of MseI; Lane 5, molecular weight standard (1 kb DNA ladder, New England Biolabs).
FIG. 5 shows an agar gel analysis of the sensitivity of pEsaDix5I plasmid encoding the putative DNA methyltransferase gene to MseI. Lane 1, uncleaved pEsaDix5I; lane 2, pEsaDix5I after overnight incubation with 10 units of MseI; lane 3, uncleaved pUC19; lane 4, pUC19 after overnight incubation with 10 units of MseI; Lane 4, pEsaDix5I + pUC19 after overnight incubation with 10 units of MseI; Lane 5, molecular weight standard (1 kb DNA ladder, New England Biolabs).
FIG. 6 shows the DNA sequence of the mseIM gene (SEQ ID NO: 1) and the amino acid sequence encoded thereby (SEQ ID NO: 2).
FIG. 7 shows the DNA sequence of the esaDix4IM gene (SEQ ID NO: 3) and the amino acid sequence encoded thereby (SEQ ID NO: 4).
FIG. 8 shows the DNA sequence of the esaDix5IM gene (SEQ ID NO: 5) and the amino acid sequence encoded thereby (SEQ ID NO: 6).
FIG. 9 shows the DNA sequence of the mseIR gene (SEQ ID NO: 7) and the amino acid sequence encoded thereby (SEQ ID NO: 8).
FIG. 10 shows a restriction map of the recombinant plasmid pNKR1707mseIM used to construct a library of constituent promoters randomly mutagenized by error-prone PCR.
FIG. 11 shows a restriction map of the recombinant plasmid pNKR1707mseIM-9 encoding the MseI DNA methyltransferase gene and upstream regulatory elements.
FIG. 12 shows the DNA sequence upstream of the MseI DNA methyltransferase gene (SEQ ID NO: 9) containing the optimal promoter sequence.
FIG. 13 shows the construction of plasmids pVR-26 and pVR-27 used for the controlled expression of the MseI DNA methyltransferase gene.
FIG. 14 shows the construction of pVR-24 expression vector.
FIG. 15 shows a restriction map of pVR-25 encoding the MseI restriction endonuclease gene.
FIG. 16 shows a restriction map of pCEF-8 encoding the T7 lysozyme gene.
FIG. 17 shows the mechanism of action of a strict regulatory system in pVR-25 for cloning genes encoding cytotoxic proteins.
FIG. 18 shows an assay for MseI restriction endonuclease activity in crude cell extracts made from E. coli MseRM4, MseRM5 and MseRM6. Growth conditions are described in Example 6.
FIG. 19 shows assay for MseI restriction endonuclease activity in crude cell extracts made from E. coli strain MseRM4 (NEB # 1284) after growth in a 100 liter fermentor.

Claims (7)

配列番号8に示されるアミノ酸配列を含んでなるMseI制限エンドヌクレアーゼをコードする単離されたDNA。 An isolated DNA encoding an MseI restriction endonuclease comprising the amino acid sequence set forth in SEQ ID NO: 8 . 配列番号7に示される塩基配列を含んでなる、請求項1に記載のDNA。The DNA according to claim 1, comprising the base sequence represented by SEQ ID NO: 7. 請求項1又は2に記載のMseI制限エンドヌクレアーゼをコードするDNAを含んでなる組換えDNAベクター。 A recombinant DNA vector comprising DNA encoding the MseI restriction endonuclease according to claim 1 or 2 . 請求項3に記載のベクターで形質転換された形質転換細胞。 A transformed cell transformed with the vector according to claim 3 . さらに、配列番号2、配列番号4及び配列番号6からなる群より選ばれるアミノ酸配列を含んでなるメチルトランスフェラーゼをコードするDNAを含んでなる組換えDNAベクターを含む、請求項4に記載の形質転換細胞。5. The transformation according to claim 4, further comprising a recombinant DNA vector comprising a DNA encoding a methyltransferase comprising an amino acid sequence selected from the group consisting of SEQ ID NO: 2, SEQ ID NO: 4 and SEQ ID NO: 6. cell. ATCC受入番号PTA−2421株である、請求項4又は5に記載の形質転換細胞。The transformed cell according to claim 4 or 5, which is ATCC accession number PTA-2421 strain. MseI制限エンドヌクレアーゼの発現に好適な条件下にて請求項4〜6のいずれか1項に記載の形質転換細胞を培養することを含むMseI制限エンドヌクレアーゼの製造方法。A method for producing an MseI restriction endonuclease, comprising culturing the transformed cell according to any one of claims 4 to 6 under conditions suitable for expression of the MseI restriction endonuclease.
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